Физический институт им. П.Н. Лебедева принял участие в открывшейся сегодня в Москве выставке лазерной, оптической и оптоэлектронной техники «Фотоника. Мир лазеров и оптики».

В этом году в выставке принимают участие более 100 компаний, среди которых ведущие предприятия – производители лазерной и оптической продукции, дилеры крупнейших фирм, научно-исследовательские институты, ведущие учебные заведения России и других стран.

На стенде ФИАН представлен перестраиваемый полупроводниковый лазер с внешним резонатором. Длина волны лазера стабилизируется с помощью ячейки, заполненной парами атомов рубидия. Данная система используется, в том числе для лазерного охлаждения атомов рубидия. Ультрахолодные атомные ансамбли являются мощнейшим инструментом многих современных экспериментов в области квантовых технологий и фундаментальных исследований. Лазерная система, представленная на выставке, изготовлена в ФИАН.

Выставка продлится до 1 апреля 2022 года.

24 марта 1891 г. родился Сергей Иванович Вавилов – физик, основатель научной школы физической оптики в СССР, первый директор ФИАН, академик, президент АН СССР, общественный деятель и популяризатор науки.

Был награжден двумя орденами Ленина (1943, 1945), орденом Трудового Красного Знамени (1939), четырежды лауреат Сталинской премии (1943, 1946, 1951, 1952 – посмертно). Дважды был номинирован на Нобелевскую премию (в 1957 и 1958 годах)

Еще первокурсником С. И. Вавилов стал завсегдатаем лабораторий Физического института. Со 2-го курса он приступил к самостоятельной исследовательской работе. События 1910–1911 гг., послужили причиной тому, что С. И. Вавилов перенес исследовательскую работу из университетских лабораторий в частную лабораторию – «лебедевский подвал» дома №20 по Мертвому переулку, а также в лабораторию городского Народного университета А. Л. Шанявского, тоже возглавляемую П. Н. Лебедевым, при ближайшем участии П. П. Лазарева. Научная школа П. Н. Лебедева сыграла решающую роль в становлении ученого. Из этой же лаборатории вышли первые печатные работы С. И. Вавилова, посвященные фотометрии, – «Фотометрия разноцветных источников» и «К кинетике термического выцветания красок».

Окончив университет в 1914 году по специальности «физика» с дипломом первой степени получил предложение остаться при университете для подготовки к профессорскому званию, однако выпускник отклонил его.

Позднее он писал: «… В знак протеста против новых университетских порядков я и некоторые мои товарищи отказались по окончании университета в 1914 г. остаться при кафедре, т. е., по современной терминологии, сделаться аспирантами. По тогдашним законам это значило, что после окончания университета необходимо было поступать на военную службу».

В июле 1914 года Вавилов поступил вольноопределяющимся в 25-й саперный батальон Московского военного округа.

Запись в дневнике от 28 июля 1914 г.: «Завтра ровно месяц, как началось для меня совершенно новое, неожиданное и трагическое, о чем я никогда не думал. Я не только солдат, но я иду на войну – в том, в сущности, и все, но как тут много. Начну с того, что перед отъездом я это предчувствовал. Сбросил штиблеты, надел сапоги, было тяжело расстаться с книгами и физикой. Впрочем, в моем чемодане Казанова, фотохимия».

На протяжении Первой мировой войны Сергей Иванович служил вначале рядовым, затем прапорщиком в различных технических частях российской армии. На фронте закончил экспериментально-теоретическую работу «Частота колебаний нагруженной антенны». Демобилизовался в феврале 1918 года.

Научные интересы С. И. Вавилова с самого начала его исследований были связаны с изучением оптических явлений, эффектов взаимодействия света с веществом. Он сам говорил о своей работе то ли в шутку, то ли всерьез: «Свет – мое призвание».

В 1926 г. С.И. Вавилов совместно с В. Л. Левшиным впервые наблюдали отступление от закона Бугера – уменьшение поглощения света в урановом стекле, связанное с большим избытком в среде возбужденных молекул. В 1950 году Вавилов ввел термин «нелинейная оптика» для описания физических явлений при больших интенсивностях света. Много позднее академик Р. В. Хохлов писал: «Хорошо известно, что С. И. Вавилов – родоначальник нелинейной оптики. Его работа в этой области началась задолго до создания лазеров».

Основной темой исследований С. И. Вавилова, верность которой он сохранил на всю жизнь, была люминесценция. Вавилов и созданная им научная школа внесли выдающийся вклад в изучение явления люминесценции и развитие его применений.

В работах Вавилова 1924 г. было впервые доказано, что поглощаемая в люминофорах энергия может эффективно преобразовываться в энергию света. Энергетический выход свечения для некоторых растворов (флуоресцеин и др.) по измерениям Вавилова достигал 80%, что резко противоречило имеющимся ранее данным, свидетельствующим о малой эффективности люминесценции.

Вавилов впервые ввел понятие «квантового выхода», т. е. отношение числа излученных и поглощенных квантов при люминесценции. В ходе экспериментов он установил, что квантовый выход люминесценции не зависит от длины волны возбуждающего света (закон С. И. Вавилова).

Вместе со своим аспирантом Павлом Черенковым в 1934 году открыл эффект Вавилова - Черенкова, за что последний уже после смерти Вавилова был удостоен Нобелевской премии в 1958 году.

П. А. Черенков позднее напишет: «Это открытие могло осуществиться только в такой научной школе, как школа С. И. Вавилова, где были изучены и определены основные признаки люминесценции и где были разработаны строгие критерии различения люминесценции от других видов излучения. Не случайно поэтому, что даже в такой крупнейшей школе физиков, как парижская, прошли мимо этого явления, приняв его за обычную люминесценцию».

Вавилов придавал очень большое значение практическому использованию явления люминесценции. В 1940 году по инициативе Вавилова начались исследования, направленные на создание новых для того времени источников света: люминесцентных ламп. Под его руководством работы продолжились в трех научных организациях: в Физическом институте имени П.Н. Лебедева, Всесоюзном электротехническом институте и Московском электроламповом заводе.

Незадолго до начала войны, 30 мая 1941 года, на Общем собрании Академии Наук СССР Сергей Иванович сделал доклад «Люминесцентные источники света», сопроводив его демонстрацией первых образцов люминесцентных ламп. В послевоенные годы, при самом активном участии Вавилова началось их широкое промышленное производство.

В 1934 году было принято решение о создании полномасштабного физического института. Новый институт получил название «Физический институт АН СССР» (ФИАН). Вавилов был назначен его директором. Идея создания в Москве современного физического института была высказана еще в 1911 г. известным русским физиком П.Н. Лебедевым, у которого С. И. Вавилов учился в Московском университете. Именно по этой причине С.И. Вавилов в память о своем учителе ходатайствовал о присвоении ФИАНу имени П. Н. Лебедева.

На посту директора ФИАН С.И. Вавилов оставался до конца своей жизни (январь 1951 г.). Вавилов создал этот институт практически с нуля. С самого начала С. И. Вавилов решил придать новому институту «полифизический» характер, т. е. развивать в нем все наиболее значимые направления исследований в современной физике. Вавилов стремился пригласить в ФИАН специалистов самого высокого уровня, ученых либо получивших образование в европейских университетах, либо имевших длительные стажировки в европейских лабораториях. Представление о ключевых фигурах первичного научного состава ФИАН может дать список фамилий: Л.И. Мандельштам, Н.Д. Папалекси, Г.С. Ландсберг, И.Е. Тамм, Д.В. Скобельцын, В.А. Фок, М.А. Леонтович. С участием приглашенных физиков были сформированы и первые лаборатории ФИАН: оптики (Г.С. Ландсберг), люминесценции (С.И. Вавилов), теории колебаний (Н.Д. Папалекси), атомного ядра и космических лучей (вначале С.И. Вавилов, позднее Д.В. Скобельцын), теоретический отдел (И.Е. Тамм).

Одной из важных задач в своей работе С. И. Вавилов всегда считал популяризаторскую деятельность. Эту работу он продолжал до конца своих дней в течение почти 40 лет, несмотря на все возрастающий груз своих многочисленных организационных и прочих обязанностей. Итог трудов поистине впечатляющий. Ученый является автором более 150 научно-популярных статей и книг. Он использовал все возможности для расширения пропаганды научных и общекультурных знаний в широких слоях населения и стремился привлечь к решению этой задачи большее число людей. Эти возможности увеличились, когда в 1945 году С. И. Вавилов был избран президентом Академии наук СССР. В 1947 г. по предложению группы деятелей науки, литературы и искусства во главе с С.И. Вавиловым было создано Всесоюзное общество по распространению политических и научных знаний (с 1963 г. – Общество «Знание»). Первым председателем правления Общества стал Вавилов. В 1949 году Сергей Иванович занял пост главного редактора второго издания Большой Советской энциклопедии.

Artisan Home Entertainment

Помните сцену из «Терминатора-2», где металлическая капля, двигаясь по асфальту как живая, подтекает к ногам робота-убийцы Т-1000 и сливается с ним?

Ученые из Физического института имени Лебедева (ФИАН) увидели похожую картину в своей лаборатории: в их эксперименте капли жидкости самопроизвольно перетекали с места на место по поверхности с микроструктурами, «вырезанными» на них с помощью лазера. Такие поверхности могут использоваться в микрофлюидных биочипах и медицинских экспресс-тестах, которые легко умещаются в кармане. Статья о результатах эксперимента опубликована в журнале Applied Surface Science.

«Обычно капля, упавшая на ровную поверхность, остается на месте. Мы заставили ее двигаться — за счет градиента сил поверхностного натяжения. С помощью лазера мы создали на поверхности микроструктуры с нарастанием ее гидрофильности (смачиваемости), и капли двигаются по ним в сторону, где гидрофильность максимальна. Такой “горизонтальный насос”, например, позволит разделять жидкости с разным коэффициентом поверхностного натяжения, упростить биочипы и микрофлюидные устройства», — говорит соавтор исследования Сергей Кудряшов, ведущий научный сотрудник и заведующий лабораторией лазерной нанофизики и биомедицины ФИАН.

Технология перекачки воды с помощью энергии поверхностного натяжения давно изобретена в живой природе. Техасская рогатая ящерица (Phrynosoma cornutum), живущая в пустынях Северной Америки, научилась собирать и перемещать воду, которая конденсируется по ночам на ее теле. Сеть открытых капиллярных каналов, образованных чешуйками, заставляет воду перетекать прямо к ее рту, и этот эффект описывали германские и австрийские ученые.

Steve Hillebrand/U.S. Fish and Wildlife Service

Чтобы воспроизвести его эффект в лаборатории, Кудряшов и его коллеги решили попробовать создать на поверхности градиент поверхностной энергии (натяжения) — то есть сделать так, чтобы степень гидрофобности постепенно снижалась вдоль поверхности от точки к точке в заданном направлении. К сожалению, это нельзя сделать просто уменьшая толщину слоя гидрофобного покрытия на гидрофильном. Сила поверхностного натяжения очень короткодействующая, чтобы «выключить» гидрофильность металла, на него достаточно нанести слой пластика толщиной в одну-две молекулы

«Можно попробовать сделать это химическим способом, то есть создав участки с химически разным покрытием с разной гидрофобностью, но эта поверхность будет очень капризной, потому что любая пыль, любое органическое загрязнение сразу меняет показатель гидрофобности, и такую поверхность трудно отмыть, чтобы восстановить ее нужный уровень», — объясняет Кудряшов.

Поэтому ученые ФИАНа решили воспользоваться тем, что у капли жидкости довольно большая площадь и она «усредняет» показатель гидрофобности на участках с гидрофобным пластиком и с гидрофильным металлом, где пластик удален лазером. Иначе говоря, капля не сможет отличить поверхность с одним показателем гидрофобности в каждой точке от «шахматной доски» той же площади с разными показателями в каждой клеточке, если среднее значение будет одинаковым.

Для эксперимента ученые покрыли стальные пластины размером пять на пять сантиметров миллиметровым гидрофобным полимерным покрытием на основе силоксана. Затем при помощи лазера наносекундными импульсами они прорезали слой покрытия до металла, создавая ряды канавок длиной пять миллиметров и шириной около 100 микрон.

Затем повторной обработкой лазером ученые модифицировали их, расширив их в разной степени. Так на стальной пластинке появились четыре участка с разными показателями гидрофобности - углом контакта смачивания, то есть углом между поверхностью и условно касательной к поверхности капли воды на ней. На гидрофобной поверхности капля воды растекается меньше, поэтому угол смачивания будет больше. На гидрофильной, наоборот, угол будет меньше, так как капля растекается больше. Угол смачивания на четырех участках варьировался от 46 до 13 градусов.

Затем ученые капали водой на разные участки и наблюдали за ее движением.

Движение капли воды в эксперименте — сразу после падения она перемещается вправо.

Капля воды объемом пять микролитров в эксперименте самопроизвольно перемещалась от гидрофобных участков к гидрофильным. Быстрее всего капля двигалась между первым и вторым участками - в этом месте ее скорость достигала 92 миллиметров в секунду.

«Мы сделали такой “горизонтальный водопад”, где жидкость двигается не за счет силы тяжести, а за счет энергии поверхностного натяжения. На гидрофобным участках энергия поверхностного натяжения выше, на гидрофильных меньше и эта разность потенциалов превращается в кинетическую энергию движения», — говорит Кудряшов.

По его словам, такой «водопад» может быть достаточно длинным — несколько десятков сантиметров. «Главное, чтобы граница между участками с разными углами смачивания была не слишком заметной, чтобы вязкое трение не остановило каплю», — объясняет он.

Ученые отмечают, что такие микроструктурированные поверхности могут найти широкое применение в разработке микрофлюидных устройств — бурно развивающейся области, которая уже дала десятки компактных устройств для исследования химического состава воздуха и воды, диагностических медицинских тестов.

Кудряшов подчеркивает, что в эксперименте использовались широко распространенные лазеры. «Это очень доступная технология. Лазер очень простой, с помощью таких делается маркировка, подписываются металлические таблички. Это очень простые и доступные системы, не требуют особых знаний для обслуживания. Поэтому, если при их помощи получится делать микрофлюидные чипы, это будет очень выгодно».

В разделе News&Views журнала Nature опубликована статья с комментариями российского физика на исследования научных коллективов Ботвелла и Чжана.

Ведущий научный сотрудник ФИАН Ксения Хабарова рассказывает о последних достижениях в области измерения гравитационного красного сдвига с помощью оптических часов.

Для проверки теории относительности когда-то требовались точные часы, разделенные тысячами километров. Сегодня оптические методы сделали такие измерения возможными в атомном кластере размером не более одного миллиметра.

Для измерения гравитационного замедления времени требуются сверхточные часы. Сейчас точность времени определяется атомными часами, которые отсчитывают время с помощью определения энергии перехода между двумя электронными состояниями в атоме.

Новаторское исследование, проведенное в 2010 году, показало, что сравнение двух атомных часов, разделенных по высоте, позволяет измерить гравитационный красный сдвиг в масштабе менее одного метра. Прогресс, о котором сообщили Чжан и соавторы, улучшает этот подход, а Ботвелл с коллегами даже доводят измерение до субмиллиметрового масштаба с помощью ансамбля ультрахолодных атомов стронция, обладающего рекордным временем когерентности.

В ФИАН ведутся разработки нового поколения оптических часов на атомах тулия.

«Мы ориентированы на транспортируемые оптические часы. Поскольку уже продемонстрировано, что гравитационный красный сдвиг можно измерять на расстояниях порядка 1 мм с помощью облака атомов, то наша цель – научиться применять транспортируемые оптические часы для релятивистской геодезии. Таким образом, можно будет перевозить часы с места на место, измерять градиент гравитационного потенциала на планете» - говорит Ксения Хабарова.

Точность современных оптических часов может соответствовать ошибке менее одной секунды за время существования Вселенной. Такая точность стала возможна благодаря тщательному контролю условий эксперимента, эффективно продлевающему время, в течение которого можно предсказать квантовое поведение атомного ансамбля, известное как время квантовой когерентности. Чем больше время когерентности, тем стабильнее и точнее часы.

«Сейчас мы живем в эпоху, когда возникла необходимость измерять малые величины. Мы уже научились определять местоположение человека с точностью меньше 1 метра с помощью спутников ГЛОНАСС и тех атомных часов, которые расположены на земле. Для того, чтобы просто ходить или ездить по дорогам этого достаточно. Дальше, увеличивать точность нужно и можно. На данный момент мы еще не дошли до того, чтобы запустить оптические часы на орбиту. Также хотелось бы научиться работать с оптическими часами не только в лабораторных, но и в полевых условиях. Это откроет возможности для релятивистской геодезии. Одно из практических применений транспортируемых оптических часов – поиск полостей в земле или мест с большим скоплением плотного материала, которыми могут быть полезные ископаемые. Для этого, в том числе, и нужны сверхчувствительные часы»

Ksenia Khabarova (2022). Atomic clouds stabilized to measure dilation of time
https://www.nature.com/articles/d41586-022-00379-x

Международная группа ученых получила новые указания на существование двойной сверхмассивной черной дыры в далекой галактике с помощью “Радиоастрона”.

Галактика OJ 287 находится на расстоянии 5 миллиардов световых лет от нас и не является обычным объектом на небе. Она принадлежит к особой категории галактик, называемых блазарами. Главной характеристикой блазара является то, что в его центре находится сверхмассивная черная дыра, аккрецирующая вещество, газ и пыль. Более того, пара осесимметричных релятивистских плазменных струй выбрасывается из центральной области и один из джетов направлен в сторону Земли. Точный механизм формирования этих струй до сих пор неизвестен. OJ 287 замечателен еще по одной причине. В его центре находится не одна, а две сверхмассивные черные дыры, причем вторичная (менее массивная) вращается вокруг первичной, дважды пронзая ее аккреционный диск каждые 12 лет. Эта система является единственным известным кандидатом на роль тесной двойной сверхмассивной черной дыры.

Один из главных вопросов, связанных сегодня с образованием сверхмассивных черных дыр, заключается в том, как пара таких черных дыр сливается в конечном итоге — так называемая проблема финального парсека. Их гравитационное излучение, как мы ожидаем, вскоре может быть обнаружено с помощью интерферометров космических гравитационных волн, что окончательно подтвердит существование двойной системы в OJ 287.

Рисунок, иллюстрирующий двойную сверхмассивную черную дыру.
Источник: R. Hurt (NASA/JPL) & Abhimanyu Susobhanan (Tata Institute of Fundamental Research).

Связь между этими открытыми вопросами достигается благодаря элегантному методу наблюдений, известному как радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами (РСДБ). Принцип РСДБ, предложенный советскими учеными Л.И. Матвеенко, Н.С. Кардашевым и Г.Б. Шоломицким в прошлом веке, заключается в одновременном наблюдении источника на небе разными телескопами. Синхронизация сигнала с каждой антенны и последующая корреляция позволяет восстанавливать изображения удаленных астрофизических объектов с высочайшим угловым разрешением, эквивалентным тому, которое достигалось бы телескопом размером с Землю. При этом, чем больше собирательная поверхность и чем короче длина волны наблюдения, тем выше угловое разрешение.

Международной группе исследователей из разных институтов мира, включая российские Астрокосмический центр Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Московский Физико-Технический Институт и Крымскую Астрофизическую обсерваторию, удалось восстановить изображение OJ 287 с самым высоким разрешением (уровнем четкости), достигнутым на сегодняшний день, используя наземно-космические РСДБ-наблюдения. Участие 10-метровой орбитальной антенны «Спектр-Р» (космическая миссия «Радиоастрон», возглавляемая АКЦ ФИАН при поддержке Роскосмоса), помогло сформировать виртуальный радиотелескоп размером в 15 раз больше Земли. При этом было достигнуто разрешение около 12 угловых микросекунд или около 2 световых месяцев. Другими словами, полученное изображение настолько детализировано, что обладая таким разрешением, можно с Земли увидеть монету в 1 рубль на поверхности Луны.

«Мы еще никогда не наблюдали внутреннюю структуру кандидата в сверхмассивную двойную черную дыру OJ 287 с такой четкостью», — говорит главный руководитель лабораторий в ФИАН и МФТИ, член-корреспондент Юрий Ковалев.

Анализ полученных изображений показал, что плазменная струя объекта сильно изогнута, что подтверждает предсказания модели двойной сверхмассивной черной дыры. Наблюдения в поляризованном свете визуализировали топологию магнитного поля самой внутренней части струи и подтвердили его тороидальную конфигурацию. То есть начало джета оказалось пронизано спиральным магнитным полем.

«Эти результаты помогли нам продвинуться еще на один шаг в расширении наших знаний о морфологии релятивистских джетов вблизи центральной машины, подтвердить роль магнитных полей в запуске джетов. Мы получили новые указания на двойную систему сверхмассивных черных дыр в сердце OJ 287», — заключает ведущий научный сотрудник ФИАН и КрАО, профессор РАН Александр Пушкарев.

Руководитель Астрокосмического центра ФИАН, доктор физико-математических наук Сергей Лихачев добавляет: «В настоящий момент Астрокосмический центр ФИАН разрабатывает новое поколение наземно-космического интерферометра, проект «Миллиметрон». Он позволит напрямую построить изображение двойной черной дыры и ее окружения в центре этой и других галактик».

Публикация

J. L. Gómez и др. "Probing the innermost regions of AGN jets and their magnetic fields with RadioAstron. V. Space and ground millimeter-VLBI imaging of OJ 287". The Astrophysical Journal, 924, 122 (2022) 

Коллаж, показывающий системы наблюдений и изображения искривленного джета в активной галактике OJ 287. Сверху вниз: глобальная группа радиотелескопов, включая  космическую обсерваторию “Спектр-Р” (диаметр 10 м, не в масштабе) проекта “Радиоастрон”, обеспечивает наблюдения с рекордным разрешением 12 микросекунд дуги или около 2 световых месяцев; изображения, полученные в диапазоне миллиметровых и сантиметровых волн на наземных радиоинтерферометрах. © Эдуардо Рос (MPIfR); радиоизображения от Gómez и др. (The Astrophysical Journal, 2022 г.); Земной шар от worldmapgenerator.com; схематическое изображение «Радиоастрон» от НПО им. С.А. Лавочкина.

АНИ «ФИАН-информ»

Сотрудники ФИАН в рамках сотрудничества с Институтом спектроскопии, Федеральным научным центром им. В.М. Горбатова РАН и Институтом эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи предложили, разработали и готовят к патентованию инновационный способ ИК-лазерной инактивации патогенных бактерий путем высоко-локального селективного возбуждения и структурной трансформации функциональных групп органелл патогенных бактерий. Этот способ хорошо зарекомендовал себя для инактивации планктонных образцов ряда патогенных микроорганизмов III-ей и IV-ой группы in vitro и может применяться в мобильном варианте для дезинфекции и стерилизации помещений медицинских учреждений и пищевых производств.

    Практические способы борьбы с патогенными бактериями в медицинских учреждениях и на пищевых производствах требуют мобильных и высокопроизводительных бактерицидных средств, к которым обычно относят в первом случае прямую или косвенную УФ-обработку (кварцевание, озонирование), а во втором случае – паровую или химическую обработку. В первом случае обработка нацелена на фотолитическое или фотохимическое повреждение важных функциональных молекул (например, белков и нуклеиновых кислот) бактерий, тогда как горячий пар или химические реагенты на пищевых производствах разрушают надструктуру белков и других основных компонент клеточной оболочки, нарушая клеточный метаболизм. И, хотя высокотемпературная обработка традиционно является базовым средством борьбы с патогенными бактериями при обработке продуктов, прямое инфракрасное (ИК) воздействие для этих целей до сих пор тестировалось только в лабораториях. В частности, использовались элементы накаливания, нагреваемые до различных высоких температур (< 1000 градусов Цельсия) со спектром, определяемым законом смещения Вина. В результате, заметный эффект – снижение жизнеспособности бактерий на 2-3 порядка - наблюдался только в случае, когда спектральный максимум теплового излучения лежал в области около 6 мкм, а не 3 или 4.5 мкм. Согласно характерной структуре ИК-спектра большинства бактерий (смотри, например, Рисунок 1), в области 2.7-3.3 мкм лежат колебания углеродного скелета и ОН,NH-групп, тогда как основные функциональные – нуклеиновые, белковые, пептидные молекулы бактерий проявляются в диапазоне 6-11 мкм.

Рисунок 1. Слева: Характерный ИК-спектр бактерий и спектры ИК-лазерных фемтосекундных импульсов. Справа: Принцип инактивации бактерий при облучении с длиной волны 3 и 6 мкм

    В рамках сотрудничества с Институтами спектроскопии и Федеральным научным центром им. В.М. Горбатова РАН, Институтом эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи сотрудники ФИАН предложили, разработали и готовят к патентованию инновационный способ ИК-лазерной инактивации патогенных бактерий путем высоко-локального селективного колебательного возбуждения и конформационно-структурной трансформации функциональных молекул органелл патогенных бактерий. Проведенные исследования с излучением среднего ИК-диапазона показали, что селективное воздействие фемтосекундного лазерного излучения с длиной волны около 6 мкм на относительно редкие, но сильнопоглощающие амидные группы нуклеиновых кислот, белков и пептидов из-за сильного и локального поглощения (Рис.1) отвечает более низкому порогу инактивации бактерий (Рис.2), чем сильное колебательное возбуждение всего углеродного каркаса излучением с длиной волны 3 мкм (Рисунки 1 и 2). В целом, этот подход хорошо зарекомендовал себя для инактивации планктонных патогенных микроорганизмов III-ей и IV-ой группы in vitro (снижение показателя КОЕ на пять порядков - до нуля) и может применяться в мобильном варианте для дезинфекции и стерилизации помещений медицинских учреждений и пищевых производств.

Рисунок 2. Результаты анализов жизнеспособности бактерий после ИК-лазерной обработки образцов излучением с длиной волны 3 мкм и 6 мкм в зависимости от интенсивности излучения.

    Инновационные результаты исследований опубликованы в статьях «Spectrally-selective mid-IR laser-induced inactivation of pathogenic bacteria» в высокоцитируемом журнале Biomedical Optics Express и «Фемтосекундная лазерная ИК-спектроскопия характеристических молекулярных колебаний бактерий в области 6 мкм» в журнале Письма в ЖЭТФ, а также представлены в приглашенных и устных докладах на профильных международных конференциях 2021 года.

См. также:
1) Kompanets V. et al. Spectrally-selective mid-IR laser-induced inactivation of pathogenic bacteria //Biomedical Optics Express. – 2021. – Т. 12. – №. 10. – С. 6317-6325.
2) Компанец В. О. и др. Фемтосекундная лазерная ИК-спектроскопия характеристических молекулярных колебаний бактерий в области 6 мкм //Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 2021. – Т. 113. – №. 6. – С. 365-369. (*.pdf)

АНИ «ФИАН-информ»

В рамках проекта Российского научного фонда (РНФ) сотрудники лаборатории лазерной нанофизики и биомедицины ФИАН разработали и запатентовали инновационный, недорогой и потенциально мобильный лазерно-аппликационный способ переноса высокой дозы металлических наночастиц с прозрачной диэлектрической подложки на (а)биотическую поверхность, требующую антибактериальной обработки. Этот способ хорошо зарекомендовал себя для тотального подавления биопленок широкого круга патогенных микроорганизмов III-ей и IV-ой группы in vitro.

    Еще недавно прогнозы Всемирной организации здравоохранения о 20 миллионах смертей в год к 2025 году от бактериальных инфекций казались довольно абстрактными, но пандемия COVID-19 показала, что патогенные микроорганизмы фактически составляют нашу среду обитания и поэтому должны находиться под постоянным контролем, а их мутации и приобретение ими резистентности к современным антибиотикам требуют особых, надежных и, по возможности, универсальных биоцидных средств.
В настоящее время известно, что наночастицы материалов представляют собой мощное бактерицидное средство с широким спектром действия, определяемым целым рядом возможных механизмов воздействия на живые клетки: генерация активных форм кислорода, выделение биотоксичных ионов металлов, блокировка каналов метаболизма, электростатические и наномеханические воздействия. Однако, во многих случаях стоит вопрос доставки значительной дозы наночастиц в нужное место в нужное время, в то время как коллоидные растворы наночастиц зачастую имеют слишком малые концентрации действующего вещества.

    В ходе трехлетнего проекта РНФ под руководством главного научного сотрудника Отделения квантовой радиофизики ФИАН, д.ф.-м.н. А.А. Ионина коллективу, состоящему из научных сотрудников ФИАН, студента НИЯУ МИФИ, сотрудника ФИЦ эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалея, удалось разработать и запатентовать инновационный лазерно-аппликационный способ доставки высокой дозы наночастиц на (а)биотическую поверхность, требующую антибактериальной обработки, на основе известного в течение нескольких десятилетий в лазерной физике и материаловедении явления лазерного переноса вещества вперед (Laser-induced forward transfer, LIFT). В исследованиях коллектива этот способ хорошо зарекомендовал себя для тотального подавления (снижение числа колониеобразующих единиц, КОЕ, с 10-100 миллионов до нуля) биопленок широкого круга патогенных микроорганизмов III-ей и IV-ой группы in vitro путем лазерного переноса на нее с прозрачной диэлектрической подложки металлических пленок серебра, меди и никеля в виде высокой дозы бактерицидных наночастиц (Рис.1).

Рисунок 1. Вверху — Схема, принцип, вид наночастиц; внизу — результаты переноса металлических наночастиц на бактерии и инкубирования бактерий на слое наночастиц

    Проведенные исследования in vitro показали перспективность данного подхода с широким спектром антибактериального действия для всех использованных культур патогенных микроорганизмов для его простой, недорогой и потенциально мобильной (с помощью переносных ранцевых или мобильных хирургических лазеров) реализации in vivo на инфицированных ранах, а также других важных функциональных медицинских поверхностях. На неинфицированных ранах лабораторных мышей в ходе исследований по выявлению биосовместимости переносимых наночастиц in vivo обнаружена хорошая заживляемость ран и данные исследования предполагается теперь продолжить в рамках более широких лабораторных исследований.

    В ходе дальнейших исследований авторы предполагают физико-химическими методами более полно контролировать более широкий круг параметров биоцидных наночастиц (размер, химический состав и структуру, дзета-потенциал) и анализировать химические, молекулярно-клеточные аспекты взаимодействия наносимых наночастиц с биопленками и планктонными формами культур патогенных бактерий на молекулярном и клеточном уровне с помощью разработанных коллективом подходов экспресс-методов колебательной и фотолюминесцентной спектроскопии (Рис.2). Прямая визуализация взаимодействия наночастиц с биопленками будет осуществляться с привлечением доступных методов просвечивающей электронной микроскопии сверхвысокого разрешения, а связанные с ним химические взаимодействия на уровне атомных связей – методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Это позволит установить основные молекулярно-клеточные механизмы бактерицидного действия наночастиц, позволяющие разными путями преодолеть резистентность бактерий, выбрать наиболее оптимальные размеры и химический состав бактерицидных наночастиц и режимы их лазерной генерации, а также устройств на их основе (фильтры воды и т.п.). Ввиду актуальности антивирусной тематики, разрабатываемые антибактериальные подходы предполагается также in vitro тестировать на модельных вирусах (фагах), и установить молекулярно-клеточные механизмы противовирусной активности.

Рисунок 2. Фотолюминесцентные снимки бактерицидной активности различных поверхностных наноструктур кремния (нанорешетки, наночастицы) и ИК-спектроскопия ключевых молекулярных взаимодействий

    Результаты исследований коллектива опубликованы в ряде статей в высокоцитируемых научных журналах и представлены в пленарных и приглашенных докладах на международных конференциях.

АНИ "ФИАН-информ"

Ученые из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН), Московского физико-технического института (МФТИ) и Института ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН) исследовали направления прихода астрофизических нейтрино с энергиями свыше триллиона электронвольт (ТэВ) и пришли к неожиданному выводу: все они рождаются вблизи черных дыр в центрах далеких активных галактик – мощных источников радиоизлучения. Ранее предполагалось, что в источниках этого класса можно получить только нейтрино с самыми высокими энергиями.

     Считается, что в центрах активных галактик нашей Вселенной располагаются массивные черные дыры. Они являются сердцем этих объектов со светимостью в сотни миллионов солнц. Эти активные галактики – квазары – хорошо видны с Земли как оптическими, так и радиотелескопами.

    Ранее российские ученые Александр Плавин, Юрий Андреевич и Юрий Юрьевич Ковалевы и Сергей Троицкий установили связь между происхождением нейтрино наиболее высоких энергий (выше 200 ТэВ) и радио-квазарами. Уже это было удивительно, потому что теоретические статьи 1990-х годов указывали, что астрофизические нейтрино будут рождаться только при энергиях от 1000 ТэВ.

    Нейтрино – мельчайшие элементарные частицы, у которых масса едва отлична от нуля, зато они могут пересекать Вселенную, практически не взаимодействуя с веществом и не имея никаких задержек на своем пути. Триллионы нейтрино в секунду проходят сквозь каждого человека на Земле, оставаясь совершенно незамеченными. Для регистрации нейтрино международная коллаборация ученых построила в Антарктиде специальный подледный телескоп – черенковский детектор IceCube, занимающий объем в 1 кубический километр льда. А в России сейчас заканчивают сооружение подводного телескопа Baikal GVD в озере Байкал, объем которого уже приближается к IceCube. На уже начавшей работу части установки идет набор данных. Эти инструменты изучают небо в разных полусферах: Северной и Южной.

 
Нейтринная обсерватория IceCube NSF
(предоставлено Ф. Педрерос)

    Проанализировав данные, собранные за 7 лет на телескопе IceCube, ученые первоначально выбрали для анализа диапазон выше 200 ТэВ, чтобы изучить, с какого направления пришли эти нейтрино. Оказалось, что заметная их часть родилась в квазарах, выделенных радиотелескопами по их высокой яркости. Точнее, нейтрино родились где-то в центрах квазаров. Там располагаются массивные черные дыры, питающие их аккреционные диски, а также сверхбыстрые выбросы очень горячего газа. Более того, существует связь между мощными вспышками радиоизлучения в этих квазарах и регистрацией нейтрино на телескопе IceCube. Поскольку нейтрино распространяются по Вселенной со скоростью света, они приходят к нам одновременно со вспышками.

Участники байкальского эксперимента готовят к погружению под покрывающий озеро лед детектор черенковского излучения (оптический модуль). Фотоэлектронный умножитель и прочая электроника помещены внутрь выдерживающего давление полутора километров воды прозрачного шара. Это – часть телескопа, которая собирает и передает по кабелю на берег информацию о слабенькой вспышке, сопровождающей взаимодействие нейтрино в воде. Автор фото – Баир Шайбонов

    Теперь в своей новой статье, опубликованной 19 февраля 2021 года в авторитетном международном журнале The Astrophysical Journal, российские ученые утверждают, что нейтрино энергий в десятки ТэВ тоже испускаются квазарами. В результате получается, что все – ну хорошо, почти все, – астрофизические нейтрино высоких энергий рождаются в квазарах. Заметим, кроме астрофизических, есть нейтрино, которые рождаются в атмосфере Земли, и даже в самом детекторе IceCube во время взаимодействия космических лучей с веществом.

   Аспирант и научный сотрудник ФИАН и МФТИ Александр Плавин отметил:

«Массовое рождение нейтрино в квазарах теперь факт, с которым приходится считаться другим исследователям-астрофизикам. Это крайне важно для детального понимания процессов внутри активных галактик, которые приводят к выделению огромного количества энергии».

    Соавтор открытия из ФИАН и МФТИ член-корреспондент РАН Юрий Ковалев пояснил результаты в программе Гамбургский счет на ОТР.

    В сентябре 2020-го года консорциум семи научных организаций – ФИАН, МФТИ, ИЯИ РАН, ОИЯИ, САО РАН, ГАИШ МГУ, Иркутский государственный университет – выиграл грант Минобрнауки по теме «Нейтрино и астрофизика частиц». Около 100 ученых будут работать над решением вопроса о происхождении нейтрино, а также изучать его свойства. Проектом также предусмотрены и другие исследования, направленные на понимание природы астрофизических нейтрино высоких энергий, в том числе поиск фотонов того же диапазона энергий на установке «Ковер-3» Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН (Северный Кавказ).

    Связь нейтрино и радио-квазаров вызвала большой интерес в мире. Начинается совместная работа российских ученых с нейтринным экспериментом ANTARES в Средиземном море. Свежая статья европейских и американских ученых независимо подтвердила открытие российской группы по данным радиотелескопов в США и Финляндии. Новые события прихода астрофизических нейтрино теперь отслеживаются крупными мировыми радиотелескопами и антенными решетками.

    В 2021 году российские ученые соберут первые данные с телескопа Baikal GVD и проанализируют их совместно с данными РАТАН-600 и мировых сетей радиотелескопов, позволяющих в деталях рассмотреть центры квазаров. Нас ждет много интересного.

Карта неба. Чем темнее (от белого к желтому-красному-синему-черному), тем больше вероятность прихода нейтрино из данного направления. Квазары показаны зелеными кружками. Внимательный глаз может заметить, что зеленые кружки предпочитают не находиться в белых областях

А. Плавин и Ю.Ю. Ковалев для АНИ «ФИАН-информ»

Ученые ФИАН играют важную роль в эксперименте Belle II, который проводится на электрон-позитронном коллайдере SuperKEKB. О том, какие проблемы стоят перед современной физикой элементарных частиц, как устроен эксперимент и каких открытий можно ожидать в ближайшем будущем, рассказал доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник лаборатории тяжелых кварков и лептонов ФИАН Павел Николаевич Пахлов.

     Физика элементарных частиц изучает, как устроена материя на самом глубинном уровне – сейчас наука имеет возможность исследовать законы физики на масштабах одной тысячной размера протона. Ученые, работающие в этой области, пытаются выяснить, из каких «кирпичиков» складывается окружающий нас мир, и какими силами они друг к другу притягиваются. Роль «кирпичиков» играют разнообразные частицы, такие как электроны и кварки, а силы – это фундаментальные взаимодействия четырех типов. Самым первым из них была обнаружена гравитация, и по иронии судьбы сейчас именно ее ученые понимают хуже всего.

    Другие три взаимодействия удалось описать единым образом, и все они участвуют в формировании материи. Электромагнетизм собирает из заряженных частиц (ядер и электронов) атомы и отвечает за всю химию. Ядра, в свою очередь, формируются так называемым сильным взаимодействием, которое также ответственно за удержание в протонах и нейтронах еще более маленьких частиц, кварков. Последнее взаимодействие – слабое – долгое время казалось ненужным, однако в тридцатые годы прошлого столетия выяснилось, что именно благодаря ему существуют термоядерный синтез, отвечающий за горение звезд и обеспечивающий нас энергией.

    Объединение электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий на основе калибровочного принципа произошло в шестидесятых годах двадцатого века. Ученым удалось создать достаточно красивую модель, названную Стандартной. Она хорошо описывала все известные на тот момент частицы, и более того, сумела предсказать обнаружение новых. В 2012 году на Большом адронном коллайдере (БАК) после многолетних поисков была обнаружена последняя частица Стандартной модели – бозон Хиггса.

    Несмотря на все успехи и достоинства этой теории, физики имели к Стандартной модели претензии еще с момента ее создания. Первым ее недостатком считается то обстоятельство, что она искусственно подстроена под описание экспериментальных данных, а не выведена исходя из какого-то фундаментального первого принципа. Следующее слабое место проявилось при попытке использовать Стандартную модель для описания Вселенной, причем не только ее нынешнего вида, но и эволюции. Астрофизика и космология требуют новых ингредиентов, таких как взаимодействия, нарушающие барионное число, или частиц, ответственных за быстрое раннее расширение (инфляцию), не заложенных в Стандартную модель. Но, возможно, это проблемы космологии, а не теории частиц? Однако в девяностые годы оказалось, что существует такой таинственный объект как темная материя. При расчете масс галактик для описания движения звезд выяснилось, что должно существовать огромное количество материи, которая является невидимой, а значит, не участвует в электромагнитном взаимодействии и не описывается Стандартной моделью. Наконец, третья претензия – техническая: при расчетах на больших масштабах энергии взаимодействий в модели появляются противоречия. Сегодня физики ставят перед собой задачу построить новую теорию, лишенную недостатков Стандартной модели, однако пока что сложно даже наметить ее контуры.

    «Сейчас в нашей области физики наступает кризис (а в науке это прекрасно, это заставляет людей больше думать, позволяет совершить прорыв): почти все эксперименты удовлетворительно описываются неудовлетворительной теорией. Но мы уже подошли к той черте, за которой Стандартная модель должна сломаться. Поэтому существует уверенность, что скоро мы найдем что-то, что укажет, в каком направлении должна двигаться теория», – объясняет Павел Николаевич.

    Существует два возможных направления развития экспериментальных исследований. Одно из них – увеличение энергии в экспериментах по столкновению частиц. Создание Большого адронного коллайдера позволило в несколько раз поднять энергетическую планку. Хотя исследования на БАК ведутся уже более десяти лет, ученым пока не удалось обнаружить никаких отклонений от Стандартной модели. Увеличить энергию в существующей конфигурации почти невозможно, поэтому в настоящий момент идут работы по поднятию светимости (количества соударений частиц в секунду), что позволит увеличить вероятность обнаружения каких-то редких событий.

    Второе направление – поиск редких явлений при относительно невысоких энергиях взаимодействия. Демонстрировать отклонение от предсказаний Стандартной модели могут и довольно легкие частицы. Примером может служить аномальный магнитный момента мюона, масса которого в десять раз меньше массы протона, но который чувствует существование частиц тяжелее протона в сотни и даже тысячи раз. Другие интересные частицы, изучением которых как раз и занимается группа Павла Николаевича, – B-мезоны. В них содержится тяжелый b-кварк, аналогичный d-кваркам – составным частям протонов и нейтронов, но имеющий гораздо большую массу и быстро распадающийся. Интерес к этим частицам Павел Николаевич объясняет так:

    «Тяжелые кварки "знают" все физические законы, в том числе и то, что происходит при больших энергиях. За время до распада B-мезоны успевают "вспомнить" всю физику от начальных классов до неизвестных ученым закономерностей, и изучая такие распады, мы как бы "допрашиваем" частицы о том, как устроена физика, причем и на энергиях пока для нас недостижимых. Чем тяжелее частица, тем ближе ей эта интересующая нас шкала высоких энергий».

    Рождаются B-мезоны парами при столкновениях электронов и позитронов. За время жизни, составляющее несколько пикосекунд, они успевают пролететь расстояние порядка сотни микрон, а затем за счет слабого взаимодействия происходит распад. Напрямую B-мезоны обнаружить нельзя, регистрируются только продукты их распада. Получившиеся частицы также нестабильны и распадаются на еще более легкие. Задача физиков – по результатам измерений восстановить всю цепочку распадов, рассчитать ее свойства и сверить с моделью. Если в результате обнаружат расхождение с теорией, то это и будет свидетельствовать об отклонении от Стандартной модели.

 
На мезонной фабрике SuperKEKB (изображение с 24hitech.ru)

    Эксперимент Belle II, в котором принимают участие ученые ФИАН, проводится на ускорителе, расположенном в японском городе Цукуба. На протяжении двадцатого века Япония имела сильную школу теоретической физики, однако в области больших экспериментов традиционно соревновались между собой США и Европа (иногда СССР). В восьмидесятые годы Япония включилась в эту гонку, построив первый крупный ускоритель. Эксперименты на нем оказались неудачными, однако позднее в этом же тоннеле была построена B-фабрика (KEKB), называемая так за большое количество рождаемых в столкновениях B-мезонов. Она проработала более 10 лет и дала множество важных, интересных и подчас неожиданных результатов. Два года назад был официально запущен ускоритель следующего поколения – SuperKEKB, который позволит увеличить количество рождаемых B-мезонов на два порядка. Этот ускоритель гораздо скромнее Большого адронного коллайдера, как по размерам (подземное кольцо диаметром 4 км), так и по масштабам денежных вложений. Однако его преимущество – огромное число сталкивающихся электронов и позитронов. При наличии большого числа частиц основной проблемой является их удержание: необходимо провести частицу, не теряя, по кольцу тысячи раз, при этом пучки удерживаются с точностью в нескольких нанометров. Успешно решить задачу удалось за счет продвинутой магнитооптической системы, а рекордная светимость была достигнута сильным сжатием пучков в точке взаимодействия.

    Помимо ускорителя успех эксперимента определяется детектором. Уже сейчас ясно, что сконструированный детектор, в создании которого активное участие принимали ученые ФИАН, получился удачным. Детектор представляет собой «сэндвич» из под-детекторов, каждый из которых предназначен для решения конкретной задачи. Около точки взаимодействия расположены вершинные детекторы размером всего около 10 сантиметров из кремниевых пластинок, которые измеряют трек частиц с точностью до десятков микрон; данные с них считываются десятками тысяч электронных каналов. Чуть дальше расположена дрейфовая камера, которая реконструирует треки продуктов распада B-мезонов. По изгибу трека в магнитном поле измеряется импульс частицы, а для определения типа частицы используется черенковский детектор, принцип действия которого был разработан в ФИАН в середине прошлого века. Следующей частью детектора является калориметр, регистрирующий фотоны. Наконец, на наибольшем удалении от зоны взаимодействия стоит созданная нашими учеными мюонная система. Мюоны мало взаимодействуют с веществом, поэтому пролетают дальше других частиц и попадают в сцинтиллятор – вещество, излучающее свет при прохождении сквозь него частиц. Эта система состоит из большого количества слоев и является самой большой по объёму и весу – суммарно она покрывает площадь более тысячи квадратных метров. Сцинтилляционный пластик, используемый в системе, был произведен в России по особой технологии, позволяющей очень эффективно собирать сцинтилляционный свет.

Схема детектора эксперимента Belle II (изображение с www.kek.jp)

    Российские физики из ФИАН регулярно бывают в Японии: они не только обрабатывают экспериментальные данные и обсуждают результаты, но и следят за правильной работой детектора. Работа ускорителя обходится очень дорого (потребляемая им мощность сравнима с мощностью целой электростанции), поэтому нельзя, чтобы ускоритель работал вхолостую, детектор должен функционировать и записывать интересные события постоянно. За секунду происходит около миллиарда столкновений, большинство из которых неинтересные, поэтому электроника детектора должна очень быстро принимать решение – сохранить считываемое событие или нет (записывать все подряд просто физически невозможно). Электроника работает на пределе возможностей, и часто возникают сбои, так что ученым приходится перезагружать систему или останавливать ее для ремонтных работ.

     В данный момент идет процесс настройки детектора и плавного увеличения светимости. Павел Николаевич оптимистично смотрит в будущее:

    «Пока в нашем эксперименте только начался набор данных, почти никаких результатов еще нет, и мы можем говорить только о планах. Предвкушение получения новых, никем пока не исследованных данных – самое интересное время для ученых, особенно для молодых. Обычно кажется, что если в какой-то области произошло открытие, то это очень интересная область. Но ведь открытие уже сделано, значит, скорее всего, дальше все будет скучно. А у нас уже очевидно, что ускоритель и детектор работают, значит скоро нас ожидает целый поток новых данных. Велики шансы, что в ближайшие лет пять будет открыто что-то, указывающее направление развития физики элементарных частиц на следующие десятилетия».

К. Кудеяров, ФИАН

Ученые из России, Германии, Финляндии и США изучили больше 300 квазаров — вращающихся черных дыр, из которых «бьют» горячие струи плазмы, — и обнаружили, что эти выбросы меняют свою форму при удалении от черной дыры с параболы на конус. Это напоминает знаменитые брюки клеш. Сняв размеры «брюк», ученые смогут разобраться, как разгоняется вещество в центральных машинах далеких активных галактик. Работа опубликована в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Маяки Вселенной

    Квазары — одни из самых ярких объектов в космосе. При этом они находятся очень далеко — в миллиардах световых лет от Земли. Их называют маяками Вселенной: можно не только изучать по ним ее структуру и эволюцию, но и использовать их для навигации на Земле. Из-за своей чрезвычайной удаленности квазары можно считать неподвижными точками и относительно них измерять параметры вращения Земли и координаты точек на ее поверхности. Это используется в системах ГЛОНАСС и GPS.

Рисунок 1. Иллюстрация центра квазара. На ней видны: черная дыра, вращающийся аккреционный диск из пыли и газа, плазменная струя в магнитном поле, закрученное магнитное поле в основании выброса и облака межзвездного газа вокруг струи. Ученые установили, что струя меняет свою форму с удалением от центра, напоминая знаменитые брюки-клеш из моды 70-х.
Изображение: Дарья Сокол, пресс-служба МФТИ

    Квазары такие яркие, что они видны с огромных расстояний, из-за вращающейся сверхмассивной черной дыры с массой до нескольких миллиардов масс Солнца (рисунок 1). Черная дыра притягивает к себе окружающее вещество. Но, что более важно, вместе с веществом она собирает вокруг себя магнитное поле. Силовые линии поля работают как проволоки с нанизанными бусинами — заряженными частицами (рисунок 2). Когда силовые линии вращаются, частицы ускоряются почти до скорости света. Эти течения называются релятивистскими джетами, и именно они делают квазары такими яркими.

Рисунок 2. Схема плазменного джета. Если представить силовые линии магнитного поля как проволочки, торчащие из диска, а заряженные частицы — как нанизанные на них бусины, то при раскручивании диска бусины будут с ускорением подниматься вверх.
Изображение: Елена Нохрина и Дарья Сокол, МФТИ

Дотянуться до небес

    Ранее считалось, что джеты имеют форму конусов. Ученые нашли всего несколько исключений из этого правила.

    Авторы нового исследования наблюдали за сотнями квазаров в течение двух десятков лет с помощью сети радиотелескопов, раскинутой по миру. В результате были получены изображения более 300 объектов и проведен автоматический анализ формы их джетов. Таким образом были найдены 10 квазаров, параболические силуэты джетов которых трансформировались в конические (рисунок 1). Причем рассмотреть эту трансформацию ученым позволило близкое расположение объектов. Оказалось, что весь десяток находится на расстоянии «всего» в сотни миллионов световых лет. Изменение формы выброса происходит на расстоянии в несколько десятков световых лет от черной дыры.

    «Вопрос о механизме формирования и ускорения струй в далеких активных галактиках до сих пор плохо понят. А разобраться в принципах работы этих космических ускорителей крайне важно. Область, в которой джеты формируются, сложно рассмотреть. Она очень компактная, а объекты находятся далеко — там все просто сливается вместе. Были разные теоретические модели, но не было наблюдательной информации, которая могла бы их проверить. Нам впервые удалось получить детальные данные о геометрии струйных выбросов для большого количества квазаров», — говорит Юрий Ковалев, член-корреспондент РАН, руководитель научных лабораторий в ФИАН и МФТИ.

Постижение недоступного

    Геометрия джета зависит от баланса внутренних и внешних сил, магнитного поля, плазмы джета и межзвездного газа. Авторам работы удалось элегантно учесть это, и в результате форма джета естественным образом меняется в их теоретической модели с параболы на конус. Центральная машина, состоящая из вращающейся черной дыры и магнитного поля, имеет ограниченный запас мощности, как любой двигатель, и не может ускорять частицы бесконечно. Ранее было известно, что плазма хорошо ускоряется только до определенной скорости, а потом ускорение столь медленно, что им можно пренебречь. Именно эта точка остановки ускорения и соответствует месту «клешения».

    «Изменение формы выбросов наблюдалось в паре-тройке галактик и в более ранних исследованиях. Но не было сделано важного вывода о том, что это не особенности какого-то определенного объекта, а свойство квазаров как класса. Нам удалось связать этот эффект с внутренними характеристиками струй. Это оказалось лаконичным и естественным объяснением», — поясняет Елена Нохрина, кандидат физико-математических наук, заместитель заведующего лабораторией фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ.

    Теперь у ученых появилась новая возможность оценить скорость вращения центральной черной дыры и разобраться в механизме формирования узких и очень быстрых выбросов плазмы в квазарах. Настолько ярких, что они видны с расстояний в миллиарды световых лет.

АКЦ ФИАН и пресс-служба МФТИ

_____________________________

1. Работа поддержана грантом Российского научного фонда 16-12-10481.

2. Лаборатория фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной Физтех-школы физики и исследований им. Ландау МФТИ под руководством Юрия Ковалева, член-корреспондента РАН, зав. Лабораторией внегалактической радиоастрономии АКЦ ФИАН, занимается как изучением джетов квазаров, так и исследованием структур магнитосферы пульсаров, аккреционных дисков и струйных выбросов из молодых звезд, изучением двойных черных дыр и других тесных двойных систем