Методы и приборы для изучения вселенной

Помимо  систематических научных исследований современные обсерватории осуществляют также ряд так называемых служб.

Прежде  всего, это служба Солнца. В различных  частях земного шара ведутся непрерывные  наблюдения за нашим дневным светилом. Все изменения, происходящие на его  поверхности, немедленно фиксируются, что позволяет заранее предвидеть наступление магнитных бурь, нарушающих радиосвязь, и других геофизических  явлений, зависящих от уровня солнечной  активности.

Чрезвычайно важную роль играет служба точного  времени. Наблюдая суточное движение небесных светил, астрономы систематически определяют поправки хода часов и являются хранителями  точного времени.

Функционирует также метеорная, служба, в задачу которой входит изучение метеорных  потоков, движений метеорного вещества в околоземном космическом пространстве.

Важной  задачей астрономов является составление  и издание астрономических ежегодников, применяемых в морской и авиационной  навигации. Все большее и большее  значение приобретают с каждым годом  астрофизические исследования, позволяющие  изучать состояние материи во Вселенной.

§2. Космические

Двадцатый век привнес в работу астрономов совершенно новые возможности

В октябре 1957 года перед астрономами открылись  новые горизонты в изучении Вселенной. Первый космический спутник открыл двери в новое информационное измерение. Дело в том, что земная атмосфера является мощным экраном  на пути, как фотонов довольно широкой  полосы частот, так и других частиц, приходящих из глубин космоса.

Новые же технические возможности, появившиеся  с началом космической эры, позволили  выводить за пределы воздушной оболочки Земли самые различные типы астрономических  приборов – рентгеновские, ультрафиолетовые, гамма – телескопы. Эти инструменты значительно увеличили объем наших знаний о космосе.

Так, например, исследование космических источников в рентгеновском диапазоне начались с выводом соответствующих астрономических  инструментов за пределы земной атмосферы. Основная цель рентгеновской астрономии – диагностика горячей плазмы. Исследование горячей космической плазмы в рентгеновском диапазоне позволяет изучать природу взрывных процессов в различных объектах, а также свойства вещества в экстремальных физических состояниях, недостижимых в земных лабораториях

Планомерные космические исследования в рентгеновском  диапазоне проводятся с начала 70 – ых годов. На рисунке изображена космическая обсерватория "Гранат", начавшая свою работу в 1989 году. Среди приборов обсерватории, был и рентгеновский телескоп, с помощью которого изучались нейтронные звезды,черные дыры, белые карлики, остатки вспышек сверхновых звезд, межзвездная среда нашей Галактики, молекулярные облака, центр нашей Галактики, внегалактические объекты, фоновое рентгеновское излучение нашей Вселенной.

В 1979 году впервые на орбите начал свою работу радиотелескоп, что открывало возможности  по созданию в будущем гигантских космических радиоинтерферометров, базой которых могли быть расстояния в сотни миллионов километров.

Для исследования неба в наиболее энергичной части  спектра используют гамма – телескопы, примером которого является прибор, установленный на космической обсерватории "Гамма", запущенной в космос в 1990 году.

Кроме того, земная атмосфера мешает наблюдениям  и в оптическом диапазоне, именно по этой причине астрономы всегда стремились разместить свои приборы  как можно выше в горах, там  воздействие атмосферы несколько  ослаблено, и потому наблюдения более  успешны. Теперь же стало возможным  выводить в открытый космос и оптические телескопы. В 1987 году на орбиту Земли  был выведен крупнейший космический  прибор – оптический телескоп с диаметром зеркала 2,4 м, названный в честь астронома – Эдвина Хаббла. Наблюдение на этом телескопе дало массу новой информации о строении Вселенной, о природе самых различных космических объектов.

… Но не менее велико значение межпланетных космических станций, призванных подробно изучать объекты Солнечной системы. Аппараты, созданные человеческими  руками, побывали на поверхности Луны, Венеры, Марса, некоторых малых телах. Кроме того, космические аппараты пролетали в непосредственной близости от Меркурия, Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна, кометы Галлея, некоторых других космических  тел, передав большое количество интереснейших фотографий и море иной информации.

Среди этих станций нельзя не отметить известные  серии "Марс" и "Венера", аппараты этих серий в 60ых – 80ых годах провели широкие исследования одноименных планет, среди американских аппаратов нельзя обойти молчанием серии "Маринер" и "Викинг". На рисунке изображен спускаемый аппарат станции "Венера-14". На поверхности Венеры ему пришлось работать под давлением почти в 100 атмосфер и температурой окружающей углекислоты в 470 градусов С. И при этом передавать информацию на орбитальную часть станции.

В 1972-ом и в 1973-ем годах в дальний космос были запущены соответственно "Пионер-10" и "Пионер-11". Исследовав Юпитер, "Пионер-10" в 1979 году пересек орбиту Урана, а  в 1987 году вышел за пределы Солнечной  системы, став первым межзвездным кораблем.

В 1977 году были запущены космические аппараты: "Вояджер-1" и "Воялжер-2". "Воялжеру-2" предстояло выполнить самую великую  исследовательскую миссию 20ого века. Его путь пролегал через систему  Юпитера, которую он пересек в 1979 году, далее в 1981 году он пролетел рядом  с Сатурном и продолжил свой путь к более удаленным планетам – в 1986 году его фотокамеры передали человечеству виды Урана и его спутников, а в 1989году люди увидели с относительно близкого расстояния систему Нептуна.

После чего аппарат пересек границы  Солнечной системы и отправился в межзвездное путешествие. Связь  с ним до сих пор поддерживается с Земли и, предположительно, это  будет возможно до 2013 года. 
 
 
 
 
 
 
 
 

§3. Что  такое о БАК?

Идея  проекта Большого адронного коллайдера родилась в 1984 году и была официально одобрена десятью годами позже. Его строительство началось в 2001 году, после окончания работы предыдущего ускорителя — Большого электрон-позитронного коллайдера.

Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider) — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (фр. CERN), на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. Руководитель проекта — Лин Эванс. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 000 учёных и инженеров из более чем 100 стран.^]

Большим назван из-за своих размеров: длина  основного кольца ускорителя составляет 26659 м; адронным — из-за того, что  он ускоряет адроны, то есть частицы, состоящие из кварков; коллайдером (англ. collide — сталкиваться) — из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения.

В начале XX века в физике появились две основополагающие теории — общая теория относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна, которая описывает Вселенную на макроуровне, и квантовая теория поля, которая описывает Вселенную на микроуровне. Проблема в том, что эти теории несовместимы друг с другом. Например, для адекватного описания происходящего в чёрных дырах нужны обе теории, а они вступают в противоречие.

Эйнштейн  многие годы пытался разработать единую теорию поля, но безуспешно, поскольку игнорировал квантовую механику.

БАК позволит провести эксперименты, которые ранее  было невозможно провести и, вероятно, подтвердит или опровергнет часть  этих теорий

Ускоритель  представляет собой круговой тоннель, в котором в вакууме на большой  скорости будут сталкиваться субатомные частицы

Благодаря специальным магнитам, частицы смогут двигаться внутри ускорителя со скоростью, приближенной к скорости света. Ожидается, что примерно один месяц в год  будет проходить в ускорителе в режиме ядерных столкновений.

Первым  значительным научным достижением  экспериментов на БАК может стать  доказательство или опровержение «суперсимметрии» — теории, гласящей, что любая элементарная частица имеет гораздо более тяжёлого партнера, или «суперчастицу».

Кроме того, физики не исключают возможности  открытия новых измерений.

Ускоритель  расположен в том же туннеле, который  прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер

Россия принимает активное участие как в строительстве БАК, так и в создании всех детекторов, которые должны работать на коллайдере.

На БАК  будут работать 4 основных и 2 вспомогательных  детектора:

ATLAS, CMS, ALICE, LHCb — большие детекторы, расположенные  вокруг точек столкновения пучков. Детекторы TOTEM и LHCf — вспомогательные,  находятся на удалении в несколько  десятков метров от точек пересечения  пучков, занимаемых детекторами  CMS и ATLAS соответственно, и будут  использоваться попутно с основными.

Детекторы ATLAS и CMS — детекторы общего назначения, предназначены для поиска бозона Хиггса и «нестандартной физики», в  частности тёмной материи, ALICE — для изучения кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжёлых ионов свинца, LHCb — для исследования физики b-кварков, что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией, TOTEM — предназначен для изучения рассеяния частиц на малые углы, таких что происходит при близких пролётах без столкновений (так называемые несталкивающиеся частицы, forward particles), что позволит точнее измерить размер протонов, а также контролировать светимость коллайдера, и, наконец, LHCf — для исследования космических лучей, моделируемых с помощью тех же несталкивающихся частиц^[10]. С работой БАК связан также седьмой, совсем незначительный в плане бюджета и сложности, детектор (эксперимент) MoEDAL^[11], предназначенный для поиска медленно движущихся тяжёлых частиц.

Во время  работы коллайдера столкновения планируется  проводить одновременно во всех четырёх  точках пересечения пучков, независимо от типа ускоряемых частиц (протоны  или ядра). При этом все детекторы  одновременно набирают статистику.

17 декабря в ЦЕРНе состоялась конференция, на которой представлены доклады коллабораций всех шести детекторов коллайдера, посвящённые результатам работы Большого адронного коллайдера в 2010 году. С технической точки зрения работа коллайдера единодушно признана успешной, поскольку были достигнуты все цели, поставленные на 2010 год: выход на светимость выше 10³² см⁻²с⁻¹, успешная работа с несколькими сотнями сгустков, хорошо отлаженный цикл работы коллайдера. Важным достижением стала корректная настройка систем безопасности и мониторинга пучков: суммарная энергия всех протонов, циркулирующих в ускорителе, достигала 28 мегаджоулей, что на порядок превышает предыдущее достижение. Коллаборация CMS представила первые предварительные результаты по поиску суперсимметричных частиц. Свидетельств в пользу существования этих частиц в набранной статистике не обнаружено.