Рождение гелия: астрономы заглянули в первые минуты жизни Вселенной

🔭 Сразу после Большого взрыва Вселенная была раскаленным плотным облаком элементарных частиц. Когда она остыла примерно до миллиарда градусов, нейтроны начали соединяться с протонами, образуя ядра гелия. Этот процесс занял всего несколько минут и оставил после себя около четверти всего вещества в виде гелия. Точное значение этой доли напрямую зависит от того, сколько сортов легких частиц — нейтрино и им подобных — существовало в ту эпоху. Поэтому измерение первичного содержания гелия позволяет буквально пересчитать число семейств нейтрино и проверить, нет ли в природе неизвестных легких частиц за пределами стандартной модели физики.

🔬 Международная команда астрономов под руководством Эвана Скиллмана использовала крупнейший оптический телескоп LBT в Аризоне. Ученые отобрали 62 галактики с рекордно низким содержанием кислорода — не более двадцати процентов от солнечного. Наблюдения велись одновременно в оптическом и инфракрасном диапазоне, что позволило измерить до шестидесяти одной линии водорода и гелия в каждой галактике. Особую роль сыграла инфракрасная линия гелия, чувствительная к плотности газа — она устранила давнюю неоднозначность между температурой и плотностью туманности. Все данные обрабатывались однородно, на одном телескопе и по одной методике.

📊 Из 54-х туманностей, пригодных для анализа, сорок одна прошла строгие проверки на качество и надежность. Среди них оказались 15 самых бедных металлами объектов с высоким отношением сигнала к шуму. Именно по ним впервые удалось применить простое взвешенное среднее вместо экстраполяции к нулевому содержанию кислорода. Итоговое значение массовой доли первичного гелия составило 0,2458 плюс-минус 0,0013 — рекордная точность 0,5 процента. Это примерно в три раза лучше предыдущих определений и превосходно согласуется с теоретическим предсказанием стандартного первичного нуклеосинтеза, основанным на данных космической обсерватории Планк.

🌌 Что это значит для космологии?

Объединив новое значение содержания гелия с измерениями первичного дейтерия и данными о реликтовом излучении, авторы получили эффективное число сортов нейтрино, равное 2,925 плюс-минус 0,082. Это с точностью до долей процента совпадает со стандартным значением 3. Иными словами, никаких следов неизвестных легких частиц, которые могли бы повлиять на расширение Вселенной в первые минуты ее существования, не обнаружено. Результаты демонстрируют полное согласие между физикой элементарных частиц, теорией Большого взрыва и наблюдениями реликтового излучения, охватывающими эпохи от первой секунды до четырехсот тысяч лет после Большого взрыва. Стандартная модель выдержала очередную проверку.

Два миллиона лет назад ходьба по земле изменила тело и мозг наших предков.

Международная группа ученых под руководством Медицинской школы Кека при Университете Южной Калифорнии решила выяснить, как на самом деле передвигались наши далекие предки. Для этого они обратились к костям, которые на протяжении жизни перестраиваются под воздействием нагрузок.

Если существо много лазает по деревьям, крепче становятся руки, а если много ходит по земле — ноги. Именно эта закономерность легла в основу исследования, опубликованного в журнале Science Advances.

🌳 Ученые собрали данные компьютерной томографии семи предков человека возрастом от 1,5 до 3,7 миллиона лет и сравнили прочность их плечевых, бедренных и большеберцовых костей. Оказалось, что австралопитеки сочетали в себе черты обезьян и людей одновременно: их руки оставались достаточно сильными для лазания, а ноги по строению напоминали человеческие и явно использовались для прямохождения. Такой смешанный стиль передвижения не встречается ни у современных обезьян, ни у людей.

Иная картина открылась при изучении ранних представителей рода Homo, живших около 1,8–2,3 миллиона лет назад. У них бедра оказались заметно прочнее рук, что типично для современных людей.

Это означает, что переход от австралопитеков к Homo сопровождался серьезной перестройкой поведения: жизнь на деревьях отошла на второй план, а ходьба по земле стала основой существования. По словам ученых, относительная сила конечностей может служить пороговым признаком, знаменующим фундаментальный сдвиг в эволюции.

🧠 Особенно интригующим это открытие делает его совпадение по времени с резким увеличением объема мозга у ранних Homo. Ученые предполагают, что переход к более активному передвижению на большие расстояния мог создавать новые нагрузки на организм и мозг, стимулируя их развитие. Таким образом, привычка больше ходить и меньше лазать, возможно, оказалась одним из ключей к тому, что сделало нас людьми.

Физики приблизились к проверке гравитации на экзотической материи

Исследователи из ETH Zurich и Института Пауля Шеррера впервые получили холодный пучок атомов мюония — экзотических атомов, состоящих из антимюона и электрона. Результаты опубликованы в журнале Nature Physics. Это достижение открывает путь к прямому измерению того, как гравитация действует на частицы второго поколения, к которым относится мюон.

⚖️ Почему это важно?
Принцип эквивалентности, сформулированный еще Галилеем и Ньютоном и легший в основу теории Эйнштейна, до сих пор проверяли только на обычной материи и антиматерии первого поколения. Но никто не знает, ведут ли более тяжелые «родственники» электрона себя в гравитационном поле так же. Мюоний для этого идеален: он нейтрален, а значит, электрические и магнитные поля не мешают наблюдать за его падением. Правда, живет он всего 2,2 микросекунды, и раньше атомы разлетались в разные стороны слишком хаотично для точных измерений.

❄️ Прорыв произошел благодаря сверхтекучему гелию, охлажденному почти до абсолютного нуля. В такой квантовой жидкости антимюоны замедляются, встречают свободные электроны и образуют мюоний, который химический потенциал буквально выталкивает на поверхность, придавая ему ускорение. Ученые сравнивают этот механизм с атомной пушкой. Главное — атомы движутся почти параллельно и с близкими скоростями, что и делает возможными точные эксперименты.

🚀 Следующий шаг — интерферометр, который использует волновые свойства атомов. Крошечный сдвиг интерференционной картины под действием земного притяжения покажет, падает ли мюоний так же, как обычная материя. Если нет, то это может стать сигналом о существовании пятой фундаментальной силы. Первый тест метода планируют уже в этом году, а полноценный гравитационный эксперимент — через два-три года.

Охота на квантовые черные дыры

🕳️ Физики из Калифорнийского университета (UCSB) расширили поиск микроскопических черных дыр, которые могли бы рождаться на Большом адронном коллайдере. Идея такая: если у пространства есть дополнительные измерения, гравитация на сверхмалых расстояниях становится гораздо сильнее, и при столкновении протонов может на миг возникнуть крошечная черная дыра. Она сразу распадается на поток частиц, разлетающихся во все стороны. Найти такие события означало бы шаг к объединению квантовой механики и гравитации — мечте физиков длиной в столетие.

Стоит пояснить, почему физики вообще ищут черные дыры на коллайдере, ведь обычно эти объекты ассоциируются с гигантскими звездами и космическими катастрофами. Все дело в гипотезе о существовании дополнительных измерений пространства. Если они есть, гравитация может «утекать» в них, и тогда сила тяжести на сверхмалых расстояниях становится гораздо больше, чем предсказывает теория.

В таком случае при столкновении двух протонов с достаточно высокой энергией они могли бы на мгновение сжаться в микроскопическую область, где пространство-время «схлопывается» само в себя, образуя квантовую черную дыру. Такие объекты были бы невероятно нестабильны и мгновенно распадались бы на поток обычных частиц, разлетающихся во все стороны. Именно этот характерный «сферический» разлет и высокую суммарную энергию продуктов распада и пытались зафиксировать ученые.

🔍 Увы, долгожданных следов квантовых черных дыр обнаружить не удалось. Зато это позволило установить ограничения: в рамках рассмотренных моделей такие объекты с массами до примерно 12 ТэВ маловероятны, как и дополнительные измерения в определенных конфигурациях.

Если теория струн предполагает десять измерений, то данные говорят, что при выбранных параметрах дополнительных измерений не может быть больше двух. Ученые также поискали сфалеpонные переходы — теоретические процессы, которые могли бы объяснить, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии, но и их тоже не нашли.

Но отсутствие сигнала — не провал, а самое настоящее знание. Если бы нечто с такими свойствами существовало, мы бы его увидели, а раз не увидели, то можем исключить. Каждый такой поиск сужает карту возможных мест, где может скрываться новая физика, и именно так когда-то нашли бозон Хиггса. Кроме того, работа показала, что новый метод анализа можно применять и для охоты за другими экзотическими частицами.

Ретроградная планета у красного карлика: космический сюрприз

Астрономы из Женевского университета под руководством Яна Картерета обнаружили, что планета GJ 3090 b вращается вокруг своей звезды в обратном направлении. Это первая ретроградная планета, найденная у красного карлика. Обычно планеты формируются в диске вокруг молодой звезды и движутся в ту же сторону, что и сама звезда, как в нашей Солнечной системе. Но здесь все иначе.

🪐 Звезда GJ 3090 — это красный карлик, она меньше и холоднее Солнца. Планета GJ 3090 b относится к субнептунам — самым распространенным экзопланетам в галактике. Ее радиус в 2,2 раза больше земного, а масса в 4,5 раза больше. Планету впервые заметил телескоп TESS, а спектрограф NIRPS в Чили помог измерить ее массу и, главное, определить угол между орбитой планеты и экватором звезды. Этот угол составил около 136 градусов, планета не просто наклонена, а движется в противоположную сторону от вращения звезды.

Обычно такие странные орбиты объясняются влиянием другой звезды или крупной планеты. Но в системе GJ 3090 ничего подобного нет. Это делает открытие особенно интригующим. Ученые предполагают, что звезда могла захватить смещенный, ретроградный диск из газа и пыли, в котором затем сформировались планеты. Такой сценарий лучше всего объясняет необычную архитектуру системы.

Исследование показывает, что даже относительно небольшие планеты у красных карликов могут иметь удивительно сложные орбиты. Благодаря инфракрасным возможностям NIRPS ученые впервые смогли измерить ориентацию орбиты экзопланеты. Это открывает новые возможности для изучения планетных систем, которые раньше оставались недоступными. GJ 3090 b становится уникальной лабораторией для понимания того, как формируются и эволюционируют миры за пределами Солнечной системы.

Новый взгляд на поиски жизни

Крис Даути, профессор экоинформатики из Университета Северной Аризоны, вместе с коллегами из NAU представил исследование, опубликованное 22 сентября в International Journal of Astrobiology.

Ученые предложили простую, но неожиданную гипотезу: эволюционное состояние жизни на планете зависит не столько от ее возраста, сколько от того, сколько углерода фотосинтезирующие организмы успели переработать за всю историю мира. Чем больше углерода закреплено, тем больше поколений сменилось и тем дальше могла продвинуться эволюция — от микробов к многоклеточным существам и разуму.

🌱 В основе подхода лежат наблюдения за Землей. В теплых и влажных тропиках растения растут буйно, там больше видов животных и сложнее экосистемы. В холодных или засушливых местах жизнь беднее, даже если времени у нее было столько же. Ученые опираются на гипотезу скорости эволюции, которая связывает разнообразие видов с температурой, осадками и продуктивностью растений. Продуктивность, то есть количество связанного углерода, оказывается лучшим предсказателем богатства жизни, чем просто приток солнечной энергии. Этот принцип авторы перенесли на другие миры.

🪐 Исследователи использовали климатические модели для планеты TRAPPIST-1e, которая находится в 40 световых годах от нас и вращается вокруг красного карлика. Несмотря на то что эта планета старше Земли примерно на 2 миллиарда лет, она успела бы зафиксировать лишь около 21 процента земного углерода. Этого хватило бы только на микробную жизнь.

Затем авторы распространили метод на 29 ближайших экзопланет. Большинство из них оказались позади Земли и, вероятно, остаются на микробной стадии. Лишь два мира, GJ 1061c (на фото) и K2-3d, потенциально обогнали Землю по совокупной продуктивности. Они крупнее, горячее, ярче и старше большинства соседей.

🏜️ Исследование предлагает спокойный ответ на знаменитый вопрос физика Энрико Ферми о том, почему мы не видим инопланетян (Где все?). Дело не в том, что жизнь редка, а в том, что большинство ближайших к нам землеподобных миров, вероятно, отстают от Земли в развитии и могут быть населены лишь микробами. Даже если разумная жизнь где-то рядом возникла, она формировалась в суровых, засушливых условиях, напоминающих скорее «Дюну», чем «Аватар». Так что бояться вторжения не стоит: наше галактическое соседство, скорее всего, тихое и молодое, а мы, земляне, оказались одними из первых, кто дошел до сложной и разумной стадии.

🪐 Энцелад раскрывает секреты: как ледяные гейзеры Сатурна помогают искать жизнь

Планетологи из университета Берлина опубликовали в журнале Science Advances два исследования, которые заметно меняют представления о поиске жизни на Энцеладе — ледяном спутнике Сатурна. Оказалось, что подледный океан этого небесного тела не только содержит необходимые для жизни ингредиенты, но и сам, без всякого участия человека, готовит образцы для анализа. А еще выяснилось, что некоторые земные микроорганизмы вполне могли бы выжить в тамошних суровых условиях.

Энцелад давно привлекает внимание ученых: под его ледяной корой скрывается глобальный океан жидкой воды, а на дне, вероятно, работают гидротермальные источники. Из трещин у южного полюса бьют гигантские гейзеры, выбрасывающие ледяные частицы в космос. Аппарат Cassini не раз пролетал сквозь эти струи и собрал уникальные данные, и это единственный случай, когда ученые смогли напрямую изучить воду из внеземного океана. В пробах нашли соли, органику и следы химических процессов, которые на Земле поддерживают жизнь у глубоководных источников.

❄️ Новое исследование показало удивительную вещь: капли океанической воды, поднимаясь к поверхности и попадая в космос, замерзают не мгновенно, а медленно. За это время растворенные вещества успевают разделиться — соли и органика распределяются по разным частям капли, а разные типы солей отделяются друг от друга. Затем замерзшие капли разгоняются в ледяных трещинах до тысячи километров в час и разбиваются на мельчайшие осколки, каждый из которых часто состоит всего из одного вещества. По словам ученых, Энцелад фактически выполняет работу химической лаборатории: разделяет и концентрирует компоненты океана в отдельных ледяных песчинках. Для поиска жизни это огромный плюс, если в одной из таких частиц окажутся остатки микробов, обнаружить их будет гораздо проще.

🦠 Вторая работа добавила оптимизма. Исследователи воссоздали в лаборатории условия океана Энцелада — очень щелочную среду с дефицитом кислорода и углекислого газа, и поместили туда микроорганизм Methanothermococcus okinawensis, который на Земле живет у глубоководных источников и производит метан.

Результат удивил: в обычной среде при таком высоком pH микроб расти отказался, а в энцеладском аналоге не только выжил, но и приспособил свой обмен веществ к нехватке углекислого газа. Это не доказывает конечно, что жизнь на Энцеладе обязательно есть, но показывает: если она там существует, у будущих миссий — например, L4 от ESA с орбитальным аппаратом и посадочным модулем, есть реальный шанс найти ее следы в ледяных зернах из гейзеров.

🚀 SpaceX впервые вывела гигантскую ракету Starship на полноценную орбиту вокруг Земли, и этот полет стал важным шагом к участию в лунной программе НАСА «Артемида». Starship нес 26 новейших спутников Starlink, должен совершить шесть оборотов на высоте около 275 километров и приводниться в Тихом океане, а первая ступень ракеты упала в Мексиканский залив. Впереди у Starship — миссии «Артемида III» и «Артемида IV», где он будет стыковаться с кораблем Orion и может стать посадочным модулем для высадки астронавтов на Луну, конкурируя с Blue Moon Джеффа Безоса.