Группа ученых во главе с Евгением Шалыгиным из Института исследований Солнечной системы общества им. Макса Планка обнаружила в снимках космического аппарата «Венера-экспресс» свидетельства активного вулканизма рядом с венерианским каньоном Ганики. До сих пор вопрос о наличии там подобных процессов был остро дискуссионным. Соответствующая работа была
в
. Кратко ее
сайт Европейского космического агентства.
Исследователи проанализировали данные, полученные от Камеры слежения за Венерой, установленной на борту европейского аппарата «Венера-экспресс». Камера делает снимки венерианской поверхности в ИК-диапазоне, поскольку инфракрасное излучение с длиной волны в 1 микрометр попадает в так называемое «окно прозрачности», диапазон длин волн, которые плохо поглощаются плотной венерианской атмосферой. На снимках «Венеры-экспресс» ученые заметили четыре «пятна», ИК-яркость которых резко изменялась на протяжении всего лишь нескольких дней. Сначала на снимках эти области выглядели значительно более горячими, чем окружавшие их районы – до 830 градусов Цельсия, что на 350 градусов больше, чем нормальная венерианская температура. А через несколько земных суток они довольно резко снизили интенсивность испускаемого излучения. По мнению авторов работы, эта картина, типичная для лавовых потоков на Земле, означает, что на сделанных снимках удалось получить надежные свидетельства того, что вулканы на Венере продолжают извергаться до настоящего времени.
Все четыре обнаруженных области лежат поблизости от каньона Ганика, рядом с горами Маат и Озза. Маат является щитовидным вулканом высотой до 8,8 километра, однако несмотря на его явно вулканическую природу до этого ученым не удалось установить, извергался ли Маат в последнее время или его вулканическая активность осталась в далеком прошлом. Теперь же, по словам исследователей, мы можем включить Венеру в маленький клуб планет Солнечной системы, являющихся вулканически активными. Ранее изо всех ее планет лишь на Земле удавалось зарегистрировать современные извержения вулканов.
Вопрос о том, есть ли на Венере активные вулканы, имеет существенное значение для изучения этой планеты. Ее атмосфера состоит в основном из углекислого газа, и его там так много, что давление на поверхности Венеры превышает земное в 93 раза. При этом там крайне высокие температуры, при которых углекислый газ должен активно связываться горными породами. К тому же гравитация этой планеты меньше земной, а бóльшая близость к Солнцу и отсутствие магнитосферы теоретически должны способствовать более быстрой потере атмосферных газов. В связи с этим была выдвинута гипотеза, что такая необычайно плотная газовая оболочка планеты является результатом активной вулканической деятельности, по масштабам значительно превосходящей земную. Тем не менее, оставалось неясным, пополняется ли в настоящее время атмосфера планеты подобными извержениям.
Косвенные признаки подобный активности наблюдались и ранее: советские спускаемые аппараты «Венера-11», «Венера-12» и «Венера-13» регистрировали сильные молнии рядом с горами в районе своей посадки. На Земле подобные явления часто сопутствуют вулканическим извержениям. Кроме того, в атмосфере планеты присутствует двуокись серы – вещество, которое теоретически должно быстро и бурно прореагировать с окружающими соединениями и исчезнуть из атмосферы. Однако до сих пор никаких прямых свидетельств извержений или лавовых потоков зарегистрировать не удавалось в силу исключительной плотности и непрозрачности атмосферы второй планеты.
Это позволило увидеть сахаровские осцилляции в лабораторных условиях
Немецкие физики с помощью двумерного бозе-конденсата атомов калия симулировали поведение квантовых полей в искривленном пространстве-времени. Для создания нужной метрики они меняли плотность конденсата и силу взаимодействия атомов друг с другом в пространстве и во времени. Авторы убедились, что движение акустических волн хорошо описывается предсказаниями общей теории относительности, а расширение пространства вызывает спонтанное рождение пар фононов, демонстрирующих сахаровские осцилляции. Исследование опубликовано в Nature. Общая теория относительности сделала возможным исследование того, как зарождалась и развивалась наша Вселенная. Она оперирует языком кривизны пространства-времени, которая математически описывается с помощью метрического тензора (метрики). Метрика задает нам правила определения длин в искривленном пространстве-времени, и, следовательно, то, какими будут его геодезические — так в теории относительности называют линии свободного падения тел. Поведение квантового вакуума также оказалось чувствительным к свойствам пространства-времени. Сейчас ученые уверены, что характер расширения ранней Вселенной сыграл ключевую роль в квантовофлуктуационном рождении элементарных частиц и последующего формирования привычной нам материи. Главным источником проверки космологических теорий по сей день остаются астрономические наблюдения. Тем не менее, еще в 80-е годы прошлого века Унру заметил, что распространение звука в сходящемся потоке жидкости очень похоже на поведение квантовых полей в классическом гравитационном поле. С тех пор физики сделали множество попыток симуляции космологических эффектов с помощью более доступных явлений и сред. Одной из таких работ стало исследование спектра излучения Хокинга, испускаемого акустическим аналогом черной дыры, которую ученые воссоздали в конденсате Бозе — Эйнштейна. Селия Вирманн (Celia Viermann) и ее коллеги из Гейдельбергского университета пошли дальше и превратили двумерный конденсат холодных атомов в аналог вселенной размерности 2+1 с произвольной метрикой. Симулируя пространство-время с различной кривизной, физики показали, что движение акустических волновых пакетов вдоль геодезических происходит согласно предсказаниям общей теории относительности. Когда же ученые заставили искусственную вселенную расширяться, они увидели, как в ней спонтанно рождаются пары фононов, демонстрирующие осцилляции Сахарова. Возможность подобных симуляций обуславливает тот факт, что элементарные возбуждения квантовых полей в вакууме и в конденсированных средах описываются похожим образом. Методы квантовой теории поля, привнесенные в физику твердого тела в середине прошлого века, помогли бурному развитию последней. Стоит учитывать, однако, что свойства квазичастиц, например, фононов, напрямую зависят от свойств самих сред. Так, скоростью звука в конденсате можно управлять «на лету», меняя его плотность и силу взаимодействия между атомами в пространстве и времени, в отличие от скорости света, которая всегда постоянна. Тем не менее, если перейти к системе координат, в которой скорость звука будет считаться постоянной, это будет эквивалентно привнесению кривизны в акустическое пространство-время. Физики начали с экспериментов с двумерным конденсатом, запертым в радиально-симметричной гармонической ловушке. Оказалось, что таким способом можно реализовать 2+1-мерное гиперболическое пространство (то есть пространство с отрицательной кривизной) с метрикой Фридмана — Леметра — Робертсона — Уокера. Чтобы посмотреть, как движутся волны в таком пространстве, авторы фокусировали в середину облака короткий лазерный импульс и фотографировали конденсат в различные моменты времени. Оказалось, что распространение акустического волнового пакета хорошо описывается уравнениями для гиперболических пространств. Ученые повторили эксперимент для пространства с положительной кривизной (сферического пространства), хотя для этого потребовалось нужным образом модифицировать поле ловушки с помощью микрозеркального устройства. На следующем этапе своей работы физики решили исследовать эффекты, вызванные космологическим расширением искусственного пространства. Для этого они связали масштабный фактор расширения со скоростью звука в лабораторной системе координат. Для временно́го контроля последней ученые использовали магнитное поле, которое через резонанс Фешбаха влияло на длину рассеяния атомов в конденсате. Наращивая поле с различной скоростью, они реализовывали равномерное, ускоряющееся и замедляющееся расширение вселенной. В квантовой теории поля расширение пространства приводит к спонтанному рождению пар частиц. Такой же эффект увидели ученые и в симуляции. Он выражался в том, что в режиме расширения в конденсате спонтанно образовывались флуктуации плотности, соответствующие парам фононов. Со временем волновые функции этих возбуждений распространялись в виде расходящихся волн, интерферируя друг с другом. Чтобы охарактеризовать этот процесс, физики вычисляли корреляционную функцию этих флуктуаций в динамике при различных сценариях расширения и скоростях наращивания поля. Экстремумы этой функции смещались со временем со скоростью порядка 2,5 микрометра в миллисекунду, что равно удвоенному значению скорости звука в конденсате. Другими словами, авторы увидели, как отдаляются противоположные части волновых фронтов вновь рожденных частиц. Наконец, ученые исследовали то, как со временем меняются компоненты разложения корреляционных функций в ряд Фурье. Оказалось, что они испытывают периодическое изменение с хорошей точностью описываемое простым законом косинуса. Обнаруженные осцилляции — это аналог космологических осцилляций Сахарова, то есть колебаний в спектре мощности вещества, наблюдаемое во Вселенной. Авторы убедились, что зависимость амплитуды и фазы этих осцилляций находится в хорошем согласии с теорией. В дальнейшем физики надеются экспериментально исследовать и другие космологические вопросы, например, эволюцию квантовой запутанности, связь горизонтов событий, термодинамические эффекты и многое другое. Ранее мы рассказывали, как американские физики использовали холодные атомы в оптических решетках, чтобы проверить эффект гравитационного красного смещения, вызванного перепадом высоты всего лишь в один миллиметр.