Международная группа учёных во главе с китайскими исследователями поставила эксперимент, в ходе которого впервые удалось обнаружить признаки существования кванта гравитационного поля — гравитона, который также может служить переносчиком гравитационного взаимодействия. Концепция гравитона сформировалась без малого 100 лет назад, но лишь теперь учёные получили шанс приблизиться к его открытию.

Источник изображения: SCMP

В подготовке эксперимента и в анализе его результатов участвовали учёные из Китая, США и Германии. Установка создавалась в Нанкинском университете, на что ушло три года. Анализируемый материал необходимо было охладить до температуры вблизи абсолютного нуля и обеспечить воздействие на него тонко настроенным лазером для оценки возбуждения электронов в образце. Фактически это взаимоисключающие требования, ибо возникает мостик тепла между экспериментальной средой и измерительными инструментами.

Китайцы справились. Полученный из США образец высокочистого арсенида галлия был охлаждён до -273,1 °C и помещён в магнитное поле на шесть порядков сильнее, чем магнитное поле Земли. Задача стояла создать в материале толщиной с атом эффект конденсированного состояния электронов, поток которых начинал вести себя как жидкость. Затем с помощью лазера оценивались возбуждённые состояния электронов и, в итоге, измерялся их спин.

Как известно, спин электрона не целый и равен 1/2. У гравитона же спин должен быть равен 2, что делает его уникальным, если таковой вообще существует в природе. Анализ данных эксперимента показал, что отдельные частицы характеризовались спином со значением 2. Такая регистрация проведена впервые в мире и оставляет место для дальнейшего поиска гравитонов.

Если гравитон будет обнаружен, а это безмассовая частица не имеющая также зарядов, то это даст надежду на создание единой теории поля. До сих пор нет полной связи между классической физикой и квантовой. Именно отсутствие понимания сути гравитационного взаимодействия не позволяет соединить эти два мира.

Швейцарская компания Energy Vault сообщила, что первый в мире коммерческий гравитационный аккумулятор подключён к энергосистеме, что произошло в Китае. Мощность установки составляет 25 МВт. Энергия запасается в процессе подъёма 24-тонных блоков спрессованной земли на высоту свыше 100 м. В случае нужды накопленные таким образом 100 МВт·ч можно будет отдавать в сеть до 4 часов, опуская блоки на уровень земли. Проект признан успешным и будет расширяться в Китае.

Источник изображения: Energy Vault

Принцип работы гравитационного аккумулятора тот же, что и у гидроаккумулирующей электростанции. Но вода и всё, что с ней связано — это стихия, которая требует осторожного подхода и есть далеко не везде, особенно в засушливых районах. Блоки для перевода электрической энергии в кинетическую и обратно можно изготовить на месте практически без ограничений, добавив в раствор до 1 % связующих веществ, например, цемент. Обслуживание и ремонт гравитационного аккумулятора, а также его строительство, обойдутся намного дешевле создания гидроаккумулятора.

Установка Rudong EVx в Рудуне (китайская провинция Цзянсу) была спроектирована в 2022 году, начала строиться в первом квартале 2023 года и была закончена в августе. В декабре её приняли в эксплуатацию и подключили к национальной энергосистеме Китая. Сейчас обслуживающее установку коммунальное предприятие ждёт разрешения от местных властей на начало работы. Электричество будет запасаться от ранее построенной рядом ветроэлектростанции. В случае избытка энергии от ветрогенераторов она будет передаваться на систему гравитационного аккумулятора и затем использоваться в затишье или по необходимости.

Установка Rudong EVx и ещё одна в Джан Цзюе (Zhangye EVx) — это пилотные проекты, на основании работы которых должно быть принято решение о расширении практики гравитационных аккумуляторов на весь Китай. Дело в том, что национальный регулятор требует, чтобы 20 % вырабатываемой возобновляемыми источниками электроэнергии накапливалось тем или иным способом. Гравитационные аккумуляторы, как было подтверждено, неплохо справляются с такой задачей.

Ранее сообщалось о планах создать в Китае до пяти гравитационных аккумуляторов общей ёмкостью 2 ГВт·ч. На днях компании China Tianying (CNTY) и Atlas Renewable Energy — местные партнёры швейцарской Energy Vault — заявили о строительстве трёх новых аккумуляторных установок. Согласно обновлённым планам, уже есть договорённость о расширении программы до девяти установок мощностью 3,7 ГВт·ч.

Кроме того, в феврале компания Energy Vault подписала 10-летнее соглашение о внедрении своей технологии хранения энергии в 16 странах региона Сообщества по развитию Юга Африки. Интересно, что одна установка более года назад начала строиться в США, однако об этом проекте никаких новостей нет.

Группа астрофизиков выдвинула предположение, что наша галактика Млечный Путь находится в «супервойде» — огромном пространстве Местной Вселенной, где аномально мало вещества. Учёные предложили взять это за основу теории, которая помогла бы решить одну из величайших задач в астрофизике: почему измерение постоянной Хаббла даёт разный результат в зависимости от выбранной точки отсчёта.

Зелёная точка — это Млечный путь в пузыре с минимальной плотностью вещества (данные из симуляции). Источник изображения: AG Kroupa/University of Bonn

Постоянная Хаббла является одной из важнейших величин в современной космологии. Она даёт представление о скорости расширения Вселенной и о её возрасте. На разных этапах эволюции Вселенной она имела различные значения, и с момента Большого взрыва в значительной степени стала меньше (скорость расширения Вселенной уменьшалась и, по-видимому, возобновила свой рост примерно 5 млрд лет назад). Таким образом, постоянная Хаббла не очень-то постоянна. И, сверх того, измеряемое в Местной Вселенной её значение ощутимо отличается от того, как если бы мы проследили за ним от начала Большого взрыва до наших дней. Разница составляет 7–8 км/с/Мп (километр в секунду на мегапарсек), что в рамках современной космологии необъяснимо.

Некоторое время назад появились расчёты и измерения, что наша галактика Млечный путь дрейфует вдоль края войда размерами около 60 Мп в поперечнике (примерно 200 млн световых лет). Тёмное вещество, как считается, растянуло галактики в подобие вселенской паутины в магистрали и узлы, представляющие собой сосредоточения и мегаскопления галактик. Если где-то густо, то где-то будет пусто. В паутине вещества возникли пустоты или войды. Более того, появились расчёты, что войд, в котором находится наша галактика, входит в «супервойд» протяжённостью 600 Мп.

Поскольку в «супервойде» вещество в основном находится вдоль стенок «пузыря из пустоты», скорость расширения Вселенной в Местной Вселенной может быть выше, чем позволяют судить измерения, ведущиеся на основе оценки реликтового излучения. Впрочем, с точки зрения общей теории относительности Эйнштейна такого не может быть. Поэтому для обоснования своих расчетов авторы работы воспользовались так называемой Модифицированной ньютоновской динамикой (MOND). На компьютерной модели всё получилось гладко, за исключением двух натяжек — с условием, что супервойд действительно существует (и мы в нём), а также что ключевые постулаты общей теории относительности необходимо модифицировать.

«Даже если требуемые изменения не будут радикальными, — говорят авторы работы, — мы вполне можем стать свидетелями первого за более чем столетие надёжного доказательства того, что нам необходимо изменить нашу теорию гравитации».

Учёный из Южной Кореи получил убедительные доказательства, что теории гравитации Ньютона и Эйнштейна могут быть ошибочными. На примере двойных звёздных систем он показал, что при слабых ускорениях звёзды движутся до 40 % быстрее, чем предсказывают теории Ньютона и Эйнштейна. Такое «экстремальное» поведение гравитации делает ненужными поиски тёмной материи и энергии — эти понятия становятся лишними. Похоже, мы на пороге революции в астрофизике и физике.

Источник изображения: Pixabay

Астрофизик Кю-Хюн Чае (Kyu-Hyun Chae) из Университета Седжонг в Сеуле проанализировал 26 500 «широких» двойных звёздных систем в пределах 650 световых лет от Земли. Это звёздные системы, в которых две звезды вращаются вокруг общего центра масс на довольно большой удалённости одна от другой — от нескольких сотен до нескольких тысяч астрономических единиц. При этом профессор учёл возможность «вложения» — существования скрытой тесной двойной системы звёзд на орбите с третьей сильно удалённой звездой (данные расчётов были откалиброваны с учётом такого варианта событий).

Все данные для расчётов были получены из одного из обзоров астрометрического европейского спутника «Гайя» (Gaia). «Гайя» определяет точные расстояния до звёзд в нашей галактике и их скорость, а также вектор движения, позволяя создавать динамическую трёхмерную карту ближней Вселенной. В данных Gaia никто не сомневается, а проделанные корейским учёным расчёты настолько достоверны, что это буквально вышибает опору под ногами многих поколений учёных. Выходит, что они ошибочно считали теории гравитации Ньютона (для медленных и относительно небольших масс) и Эйнштейна (для околосветовых скоростей и больших масс) истиной в последней инстанции, а это, как оказалось, определённо не так.

Слева двойная звёздная система с «вложением» в виде тесной пары звёзд, справа — график измерения ускорения звёзд и график расчёта ускорения согласно уравнениям Ньютона и Эйнштейна с поправкой (калибровкой) на третьи «вложенные» звёзды (с определённого момента графики наблюдений и теория расходятся). Источник изображения: Kyu-Hyun Chae

Проделанные южнокорейским исследователем расчёты показывают, что при ускорении менее 1 нм/с² ускорение, с которым пары двойных звёзд реально вращаются вокруг общего центра масс, перестаёт удовлетворять расчётам, сделанным на основе уравнений Ньютона/Эйнштейна. Эти выводы получены для 20 тыс. двойных звёздных систем. Вероятность ошибок исключается, а достоверность данных попадает в отклонение на 5 сигма — это тот результат, который необходим для заявления о научном открытии.

При ускорении менее 0,1 нм/с² наблюдаемое в широких двойных звёздных системах ускорение превышает «классическое» значение уже на 30–40 %. Нечто подобное мы наблюдаем при измерении кривой вращения галактик. Для объяснения непонятного ускорения звёзд по мере удаления от центра галактик была придумана тёмная материя, которую мы не видим, но которая якобы участвует в гравитационном взаимодействии галактических объектов и заставляет их вращаться синхронно. Для сравнительно небольших двойных звёздных систем этот механизм не может служить объяснением (на таком масштабе тёмная материя не работает) и это, тем самым, может вычеркнуть необходимость тёмной материи для объяснения ускорения в масштабе галактики. По крайней мере, теперь для этого нужно меньше тёмной материи, а часть лишнего ускорения может взять на себя обнаруженная в законах Ньютона/Эйнштейна аномалия.

Самое интересное, что альтернативу законам Ньютона/Эйнштейна о тяготении в виде модернизированной теории гравитации MOND более 40 лет назад предложил израильский астрофизик Мордехаем Милгром (Mordehai Milgrom). В эту теорию почти никто не верил, но другой учёный — Якоб Бекенштейн (Jacob Bekenstein) — представил численные методы подтверждения MOND в виде теории AQUAL. Согласно расчётам Бекенштейна, при малых ускорениях наблюдаемое ускорение будет отличаться от теории Ньютона/Эйнштейна в 1,4 раза, что теперь независимо показали расчёты южнокорейского учёного по широким двойным звёздным системам в Млечном Пути.

Результаты данного исследования опубликованы в журнале The Astrophysical Journal. Рецензенты высоко оценили работу и предрекли, что астрофизика на пороге новой революции. Наш мир оказался не такой, как его себе представляли Ньютон и, позже, Эйнштейн — два незыблемых авторитета в мире всемирного тяготения на малом и вселенском уровнях.