Международный коллектив астрономов разработал самую подробную на сегодняшний день карту распределения материи во Вселенной. Она включает в себя описание не только объектов обычной материи, из которой сформировались планеты, звёзды, чёрные дыры и галактики; но также тёмной материи — неизученной невидимой массы, которая создаёт более высокую гравитацию, необъяснимую с позиции обычной материи.

Южный полярный телескоп. Источник изображения: pole.uchicago.edu

Фактическое распределение материи в пространстве не вполне соответствует ожиданиям учёных, а значит, в текущей стандартной космологической модели чего-то не хватает. Предполагается, что в момент Большого взрыва вся материя Вселенной была собрана в сингулярность — единую точку с бесконечной плотностью и чрезвычайно высокой температурой, которая внезапно взорвалась и извергла кварки, которые сформировали протоны и нейтроны. Спустя несколько сотен тысяч лет образовались атомы водорода и гелия, из которых стали формироваться объекты Вселенной.

Дальнейшее распределение этих атомов — своего рода детективная работа, исходной информацией для которой является то, как выглядит Вселенная сегодня. Около 75 % материи во Вселенной до сих пор остаются совершенно невидимыми для современных методов наблюдения — эта тёмная материя обнаруживается лишь косвенно, поскольку она создаёт более сильное гравитационное поле, чем должно быть, исходя из свойств обычной материи. Это проявляется, например, в том, что галактики вращаются быстрее, чем должны, а также в эффекте гравитационного линзирования. Когда нечто имеет очень высокую массу, например, скопление тысяч галактик, гравитационное поле оказывается достаточно сильным, чтобы искривлять пространство и время: проходящий через такую гравитационную линзу свет меняет траекторию и может усиливаться.

Карты неба на основе данных Dark Energy Survey (слева) и Южного полярного телескопа (справа). Источник изображения: sciencealert.com

При создании карты материи Вселенной учёные сравнивали данные о гравитационных линзах, собранные в рамках проекта Dark Energy Survey в ближнем ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах, а также полученные Южным полярным телескопом, который осуществляет измерение слабого космического микроволнового фона — реликтового излучения, возникшего в эпоху первичной рекомбинации водорода вскоре после Большого взрыва. Два источника информации обеспечили перекрёстную проверку данных.

Итоговая карта была построена на положениях галактик, их линзировании и линзировании космического микроволнового фона — эти данные можно использовать для выстраивания гипотез о распределении материи во Вселенной. Далее её можно будет сравнивать с другими моделями и симуляциями эволюции Вселенной, что позволит понять, соответствует ли теория фактическому распределению материи. Учёные уже провели несколько сравнений и обнаружили, что построенная ими карта преимущественно соответствует моделям за исключением небольших различий: материя распределяется более равномерно, чем предсказывает теория.

Итоги работы представлены в трёх публикациях американского научного журнала Physical Review D.

Согласно новым исследованиям, наша галактика Млечный Путь оказалась заметно легче, чем предполагалось по оценённой ранее плотности распределения материи во Вселенной. В нашей галактике оказалось только 10 % обычного вещества, тогда как в остальной Вселенной его в среднем 16 %, а всё остальное и у нас и в остальной части пространства — это тёмная материя. В Млечном пути её оказалось на 6 % больше, что удивительно.

Радиотелескоп DSA-110. Источник изображения: Caltech

Новые данные об объёме барионной (обычной или регистрируемой) материи в Млечном Пути получены после изучения загадочных быстрых радиовсплесков (Fast Radio Bursts, FRB). Первый такой радиосигнал миллисекундной длительности и мощности в несколько дней светимости Солнца был случайно зарегистрирован в 2007 году. Природа этого явления остаётся неизвестной и для её разгадки, в частности, в США под патронатом Калтеха создаётся радиотелескоп Deep Synoptic Array (DSA-110). Радиотелескоп будет состоять из 110 разнесённых «тарелок», первые 65 из которых начали принимать данные примерно год назад.

Массив DSA-110 должен будет помочь в привязке FRB к небесным объектам — он будет максимально точно определять, откуда исходит радиосигнал, что поможет в поиске его источников. За 2022 год обсерватория засекла 30 событий FRB, что больше, чем за все годы с момента регистрации первого события 15 лет назад. Кроме главной цели обсерватории — привязки FRB к объектам на небе — анализ принятого радиосигнала позволяет получить и другие данные. Например, узнать о распределении материи на пути следования радиоимпульса от неизвестного источника к Земле.

В зависимости от того, какие частоты в принятом радиосигнале отсутствуют (поглощены на пути следования сигнала), мы можем точно рассчитать, какой и сколько материи было на пути радиоимпульса. Это ведёт к количественной оценке вещества в нашей галактике. Млечный Путь оказался более прозрачным, чем остальная Вселенная: в нём меньше 10 % барионного вещества и более 90 % тёмной материи.

Астрономы считают, что этого можно было ожидать. Существующие модели эволюции галактик допускают сценарии, когда материя на определенных этапах изгоняется из гало галактик, а на других — втягивается обратно. Впрочем, наблюдения продолжатся и обещают принести много нового в понимание процессов во Вселенной. Статья о работе доступна на сайте arXiv.org по ссылке.

Группа исследователей из Университета Чикаго создала новый пластиковый материал, который проводит электрический ток подобно металлу и сохраняет стабильность при нагревании, охлаждении, пребывании на воздухе или даже под воздействием кислоты. По мнению авторов проекта, этот материал поможет сделать шаг на пути создания электроники нового поколения.

Источник изображения: John Zich / University of Chicago

«Это порошок чёрного цвета. Однако, когда мы наносим его на поверхность в виде плёнки или прессуем, как пластилин, он начинает переливаться и становится блестящим. Насколько мы можем судить, он стабилен при температуре до 250 °С», — рассказал руководитель исследовательской группы доктор Джон Андерсон (John Anderson). Он также отметил, что материал обладает электропроводимостью, как у графита.

Электропроводимость является одной из характеристик материалов, в которых электроны могут свободно перемещаться. Прежде считалось, что ключевым условием для электропроводимости является упорядоченная структура материала, как, например, у меди, состоящей из ровных рядов атомов. Однако новое вещество, названное учёными металлополимером, состоит из молекулярных нитей на основе серы, углерода и водорода, а также вкраплений никеля через равные промежутки. При этом речь идёт о материале с высокой электропроводимостью, несмотря на то, что он является аморфным.

Учёные отметили, что не существует надёжной теории, объясняющей свойства нового материала. Цепочки полимеров в нём образуют неупорядоченные стопки, которые складываются друг на друга, создавая аморфный материал, но также позволяя электронам двигаться в горизонтальном и вертикальном направлениях.

«Хотя у нас ещё нет чёткой картины, мы думаем, что молекулярный вид цепочек обеспечивает сильное перекрытие и свойства металла, даже когда материал имеет неупорядоченную структуру и аморфен», — отметил Джон Андерсон. По его мнению, новый материал может оказаться полезным в разных сферах деятельности человека, поскольку его можно распылять или наносить иным способом на поверхности устройств. Например, создание гибких полимеров с электропроводимостью может открыть двери для разработки носимой электроники нового поколения и многих других электронных устройств.

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (НИТУ «МИСиС») сообщает о разработке нового тугоплавкого композита, который, как ожидается, в перспективе найдёт применение в аэрокосмической отрасли.

Источник изображения: «Роскосмос»

В ракетно-космической технике при прохождении через атмосферу Земли некоторые узлы должны выдерживать интенсивные нагрузки при температурах выше 2000 °С. Для защиты таких элементов применяются покрытия из композитных материалов. В то же время необходимо, чтобы защитный материал также мог противостоять интенсивному окислению.

«Поэтому наиболее распространённые углерод-углеродные композиты не используют при температуре больше 1600 °С, выше которой окисление становится неконтролируемым — активное поступление кислорода и образование газообразных продуктов реакции приводит к полному выгоранию покрытия», — отмечают специалисты.

Источник изображения: НИТУ «МИСиС»

Исследователи «МИСиС» смогли одновременно повысить температуру плавления, теплопроводность и окислительную стойкость, а также снизить плотность материала. В основу созданного композита положен карбонитрид гафния, устойчивый как к высокой температуре, так и к окислению.

Сообщается, что карбонитрид гафния синтезировался за счёт горения смеси гафния с углеродом в атмосфере азота, а для получения объёмного материала применялось искровое плазменное спекание. Новый композит способен обеспечить эффективную защиту узлов в точках полного торможения потока, испытывающих наибольшую тепловую нагрузку.

Данные берутся из публикации Обзор MSI MAG B660M MORTAR WIFI DDR4: всем бы по такой плате

Хотя учёные предполагают, что так называемой «тёмной материи» во Вселенной очень много, обнаружить её чрезвычайно сложно. Новый метод, предложенный исследователями, позволяет обнаружить результат «ударных волн», возникающий из-за столкновений астероидов из тёмной материи со звёздами.

Источник: NASA

В рамках наиболее распространённой теории тёмная материя не отражает, не поглощает и не испускает света, поэтому её так трудно обнаружить. Тем не менее учёные уверены, что она взаимодействует со светом и обычной материей благодаря силам гравитации до той степени, что подобная материя влияет на движение звёзд и других космических объектов. По некоторым подсчётам, тёмной материи во Вселенной в пять раз больше, чем обычной.

Согласно новому исследованию, проведённому Национальной ускорительной лабораторией SLAC (США) и Университетом Париж-Сакле, при прохождении сквозь звёзды тёмная материя может вызывать всплески уникальных сигналов, которые можно наблюдать в обычные телескопы. Большинство характеристик тёмной материи неизвестны, но учёные в рамках исследования намерены сконцентрировать внимание на объектах, по массе приблизительно эквивалентных астероидам.

По их словам, ранее многие исследователи искали или отдельные частицы с массой, эквивалентной массе атомных ядер, или скопления массой с планету или звезду. В новой работе внимание уделяется объектам промежуточной массы, эквивалентной массе астероида. Ранее считалось, что такие объекты сложно изучать, поскольку они слишком редки, чтобы сталкиваться с Землёй, и слишком малы, чтобы их можно было заметить в космосе.

Если такие астероиды действительно существуют, они должны время от времени проходить сквозь астрономические объекты, тем самым обнаруживая себя. Команда исследователей считает, что при прохождении астероидов сквозь звёзды на больших скоростях образуется своеобразная «ударная волна». Достигая поверхности звезды, она вызывает кратковременную вспышку в видимом, ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах, которую можно увидеть с помощью телескопов.

При этом сигналы будут очень напоминать обычные вспышки на Солнце или других звёздах. Учёные нашли выход — следует наблюдать светила с УФ-излучением низкой интенсивности вроде оранжевых карликов и тех, что расположены в шаровых скоплениях, где, предположительно, имеются большие концентрации тёмной материи. Благодаря этому будет легче увидеть всплеск «сигналов». Учёные считают, что зарегистрировать такие вспышки могут уже имеющиеся телескопы. При этом на сигналы не нужно будет охотиться специально — их можно будет выявлять при анализе обычных снимков.

Европейское космическое агентство (ESA) определило сроки запуска орбитальной обсерватории Euclid («Евклид»), которой предстоит заняться изучением тёмной материи и тёмной энергии.

Здесь и ниже изображения ESA

Сообщается, что сам телескоп и его бортовые инструменты уже успешно прошли тестирование, что является важной вехой в реализации программы. Запуск аппарата планируется осуществить в конце следующего года при помощи ракеты-носителя «Союз СТ» с космодрома во французской Гвиане.

В оснащение Euclid войдут два ключевых прибора. Это система формирования изображений в видимой части спектра VISible Imager (VIS), а также спектрометр и фотометр ближнего инфракрасного диапазона Near Infrared Spectrometer and Photometer (NISP).

Обсерватории предстоит заняться изучением огромного количества галактик, съёмка которых будет осуществляться с высочайшей точностью. Это, как ожидается, позволит получить новые данные о тёмной материи и тёмной энергии.

Телескоп будет выведен в точку Лагранжа L2 системы Солнце — Земля на расстояние 1,5 млн километров от нашей планеты.

Без малого сто лет назад физики Грегори Брайт и Джон Уилер теоретически доказали, что из чистого света можно получить материю. Звучит как фантастика, но это вполне согласуется со знаменитой эйнштейновской формулой E = mc². Другое дело, что на практике получить из света (фотонов) материю очень и очень сложно. Но теперь такое явление обнаружено и экспериментально подтверждено.

Согласно теории Брайта и Уилера, которая впоследствии стала называться эффектом Брайта-Уиллера, при взаимодействии двух квантов света (фотонов) возникают две частицы: электрон и позитрон (античастица электрона). Электрон — это вполне себе материя, тогда как позитрон — тоже материя, но с противоположным знаком, то есть антиматерия, как принято говорить.

В природе вокруг себя и даже глубоко во Вселенной мы не наблюдаем антиматерию, что говорит об исключительной редкости столкновений фотонов. Но процессы аннигиляции — самоуничтожение электронов и позитронов при столкновении с выделением двух квантов света в экспериментальных установках наблюдаются давно. Учёные из коллаборации STAR, исследующие подобные явления на коллайдере в Брукхейвенской национальной лаборатории, решили поискать в массиве данных по экспериментам подтверждения эффекта Брайта-Уиллера и нашли их.

Выяснилось, что разгон ядер (ионов) золота до релятивистских скоростей (до 99,99 % от скорости света) и соударение их приводит к эффекту, предсказанному в 1934 году Грегори Брайтом и Джоном Уилером. Разогнанные до таких скоростей частицы сжимаются по оси движения и генерируют сильнейшие электромагнитные поля перпендикулярно оси полёта. Эти электромагнитные поля представляют собой ни что иное, как реальные фотоны — фактически облако фотонов вокруг ядер. Столкновение таких частиц часто сопровождалось столкновением реальных фотонов с фиксацией электронов и позитронов после столкновения.

После изучения массива полученных на коллайдере RHIC данных обнаружились свыше 6 тыс. фактов соударения фотонов с последующим синтезом материи (электронов и их античастиц позитронов), о чём в издании Physical Review Letters некоторое время назад вышла научная статья. Первый шаг к синтезатору материи сделан, как бы фантастически это ни звучало. Но камнем преткновения, как всегда, будет проблема высочайших энергозатрат.

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (НИТУ «МИСиС») на международном авиационно-космическом салоне МАКС-2021 представил инновационный сплав на основе алюминия.

Здесь и ниже изображения pixabay.com

Одной из главных особенностей разработанного материала является высокая в своём классе термостойкость — до 450 градусов Цельсия. Для сравнения: обычный алюминий выдерживает нагрев до 150 градусов, а при превышении этого порога охрупчивается, что может приводить к разрушению изделий.

Ранее специалистам НИТУ «МИСиС» и Уфимского государственного авиационного технического университета удалось повысить термостойкость алюминия до 400 градусов Цельсия путём добавления в сплав циркония. Теперь этот порог повышен ещё на 50 градусов.

В исследованиях, помимо учёных двух названных организаций, приняли участие сотрудники Сибирского федерального университета. Добиться дальнейшего повышения термостойкости алюминия удалось за счёт добавления кальция.

Предложенный сплав содержит 0,8 % кальция, 0,5 % циркония, 0,5 % железа и 0,25 % кремния. «Новый материал отличается более высокой прочностью, электропроводностью и термостойкостью как по сравнению со сплавами на основе алюминия и циркония, так и со сплавами на основе алюминия и редкоземельных металлов. Улучшенной электропроводности удалось добиться за счёт добавления кальция», — говорится в публикации.

Сплав, как ожидается, найдёт применение в авиационной и космической промышленности, а также при изготовлении облегчённых электропроводов для линий электропередач.

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова (МГУ) сообщает о разработке новой технологии синтеза передовых материалов для оптоэлектроники. Исследования велись совместно со специалистами из институтов Российской академии наук (РАН).

Учёные получили плёнки на основе диоксида ванадия, обладающие рекордными показателями. Отмечается, что названное вещество вызывает повышенный интерес в области оптоэлектроники из-за резкого изменения проводимости (на 4–5 порядков) при небольшой температуре (68 градусов Цельсия). Данная особенность позволяет создавать сверхбыстрые оптоэлектронные переключатели, управляемые температурой.

Российским исследователям удалось вырастить плёнки диоксида ванадия с необычной структурой, внешне схожей с ёлочными иголками. Для этого применялся гидротермальный метод — новейшая технология, которая до сих пор использовалась только в 11 работах по всему миру.

«С точки зрения синтетического подхода направление не только новое, но и непростое из-за большого количества параметров. С другой стороны, оно перспективное, так как воспроизводимое и более дешёвое, чем другие методы», — говорится в публикации МГУ.

МГУ

Полученные плёнки обладают рекордными характеристиками. К примеру, при 68 градусах Цельсия величина сопротивления материала уменьшается почти на шесть порядков. Кроме того, рекордной стала чувствительность в терагерцевом диапазоне: при 1,5 ТГц пропускание падает в 8 раз — c 80 % до 10 %.

«Сейчас мы пытаемся уменьшить температуру, при которой происходит этот переход, так как 68 градусов — весьма неудобная температура с позиции широкого применения материалов. Кроме того, для нас важно совместить термоэлектрические свойства плёнок и их чувствительность к воздействию ИК- и терагерцевого излучений — это позволит расширить область использования», — отмечают учёные.

Данные берутся из публикации Материнская плата ASUS ROG Crosshair VIII Dark Hero: повелительница ядер

Международная группа астрономов исследовала вопрос поиска тёмной материи с помощью нейтронных звёзд. Это космические объекты с огромной массой и сильнейшими магнитными полями во Вселенной. Теоретически нейтронные звёзды могут оказать существенное воздействие на падающую на них тёмную материю. И это воздействие можно попытаться обнаружить радиотелескопами.

Считается, что тёмная материя распространена во Вселенной в соотношении пять к одному по сравнению с наблюдаемой материей. Но обнаружить тёмную материю или элементарные частицы, из которых она состоит (или из групп, образуемых этими гипотетическими частицами), не удалось ни в земных лабораториях, ни в ходе наблюдения за небом. Присутствие в природе тёмной материи обнаруживается лишь в виде гравитационных аномалий в космосе. Но учёные хотят чего-то конкретного.

Одной из перспективных для обнаружения гипотетических частиц тёмной материи считается акисон. Это лёгкая частица с нейтральным зарядом. Согласно теории, при воздействии сильным электромагнитным полем аксион может спонтанно распадаться на два фотона. При этом, как и каждый распад, он должен сопровождаться излучением, диапазон которого зависит от его массы. Если получится обнаружить характерные излучения со стороны нейтронных звёзд, а уж они-то с их энергией вполне способны разорвать аксион, то факт существования хотя бы одного элемента тёмной материи был бы доказан на практике.

В серии наблюдений астрономы воспользовались радиотелескопами Грин-Бэнк в США и 100-метровым телескопом Эффельсберга в Германии. Они изучили две ближайшие к нам нейтронные звезды и просканировали центр Млечного Пути, где находятся около 500 млн нейтронных звёзд. Учёные искали излучение на частоте около 1 ГГц, что соответствовало поиску аксионов массой в диапазоне от 5 до 11 мкэВ. Увы, ничего не обнаружено. В то же время это нельзя назвать провалом. Можно сделать вывод, что в этом диапазоне масс аксионов не существует и нужно поискать в другом. Отрицательный результат — тоже результат. Статья об исследовании опубликована в издании Physical Review Letters.

Данные берутся из публикации Обзор 7 материнских плат AMD B550 дешевле 10 000 рублей: есть ли достойные устройства в этом ценовом сегменте?

Специалисты лаборатории физики высокопрочных кристаллов Томского государственного университета (ТГУ) получили уникальную структуру сплавов, которые в перспективе смогут найти применение в космических аппаратах и технике, рассчитанной на специфичные условия эксплуатации.

Главная особенность предложенной структуры — особая способность к деформации и восстановлению исходной формы. В частности, как утверждается, величина обратимой деформации может достигать 15 процентов.

Российские исследователи, в частности, экспериментировали с высокоэнтропийными сплавами. За счёт добавления наночастиц удалось получить обратимую деформацию до 13,5 процентов. Предполагается, что результаты работы приведут к созданию новых конструкционных и функциональных материалов для космоса и Арктики.

«Максимально рассчитанный ресурс деформации, к которому стремятся материаловеды во всем мире — 8,7 процента. Физики ТГУ — первые, кто получил результат, в два раза превышающий теоретический ресурс, и описал механизм этого процесса», — говорится в публикации университета.

Кроме того, специалисты работали с ферромагнитными сплавами. В данном случае удалось достичь обратимой деформации до 15 процентов благодаря старению в мартенситном состоянии под нагрузкой. Это достижение пригодится при разработке термо- и магнитоконтролируемых силовых элементов, используемых в космической отрасли и робототехнике.

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (НИТУ «МИСиС») сообщает о разработке технологии, которая позволяет значительно улучшить прочностные характеристики карбида кремния — перспективного материала, который находит всё более широкое применение в различных отраслях, в том числе в авиастроении.

Карбид кремния практически не встречается в природе, а поэтому синтезируется искусственно. Для этого используются полевой шпат и кварцевый песок. Материал может применяться в качестве полупроводника, конструкционного соединения, абразива и огнеупора. К примеру, лопатки турбин и детали двигателей внутреннего сгорания из карбида кремния позволят существенно поднять рабочие температуры и заметно повысить характеристики агрегатов — их мощность, тяговую силу, КПД и экологичность.

Однако существует проблема. Дело в том, что карбидокремниевая керамика имеет малую прочность на растяжение и изгиб, а также низкую трещиностойкость. Способ улучшить эти характеристики нашли российские исследователи: идея заключается в формировании армирующих нановолокон по технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.

НИТУ «МИСиС»

«Синтез проводился в несколько этапов. Сначала порошки кремния, углерода, а также тантала и тефлона замешивались в планетарной мельнице, затем полученная смесь сжигалась в реакторе. Как раз в процессе горения происходило формирование нановолокон. Последний этап — спекание изделия в вакуумной печи», — говорится в публикации НИТУ «МИСиС».

Утверждается, что предложенный метод позволяет повысить трещиностойкость карбида кремния в полтора раза.