Геологи выявили ранее неизвестный материал, который спонтанно образовался во время первого испытания атомной бомбы в 1945 году.
Открытие проливает свет на то, как экстремальные условия ядерного взрыва способны порождать вещества, не встречающиеся ни в природе, ни в лабораториях.
Первое в истории испытание атомной бомбы состоялось 16 июля 1945 года в пустыне штата Нью-Мексико. Тест "Тринити", проведённый в рамках Манхэттенского проекта, представлял собой подрыв плутониевого заряда мощностью около 25 килотонн в тротиловом эквиваленте.
Геолог Лука Бинди из Флорентийского университета входит в группу, опубликовавшую исследование, согласно которому в результате взрыва спонтанно сформировался совершенно новый материал. Ранее это вещество никогда не наблюдалось ни в природных условиях, ни в ходе лабораторных экспериментов.
После взрыва на месте испытания осталась стеклообразная масса, состоящая из расплавленного песка и испарившихся проводов датчиков. Учёные того времени назвали её "тринититом" – в честь самого теста. Десятилетиями этот материал изучали, но его секреты оказались далеко не исчерпаны.
Недавно исследователи обнаружили внутри богатой медью металлической капли, вкраплённой в тринитит, совершенно новое вещество – так называемый "клатрат".
Клатраты отличаются характерной "клеточной" структурой из 12–14-гранных форм, способных захватывать внутри себя другие атомы и молекулы, включая кремний, кальций, медь и железо. Именно эта особенность придаёт клатратам уникальные свойства.
Как рассказал Бинди изданию Scientific American, находка не имеет аналогов:
Это совершенно новый тип клатратного кристалла. Нечто, никогда прежде не встречавшееся ни в природе, ни среди продуктов ядерного взрыва.
Авторы исследования также отметили более широкое значение открытия:
Эта работа показывает, как редкие высокоэнергетические события – ядерные взрывы, удары молний и гиперскоростные столкновения – выступают в роли природных лабораторий, производящих неожиданную кристаллическую материю.
По сути, экстремальные условия создают среду, в которой атомы выстраиваются в конфигурации, недостижимые при обычных температурах и давлениях.
Пока непонятно, имеет ли данный материал полезное применение.
Материаловеды Томского государственного университета впервые доказали возможность синтеза высокоэнтропийной керамики из системы Hf-Ti-FeV-Cr-N методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Исследователи предполагают, что благодаря высокой температуре плавления элементов такую керамику можно будет использовать для создания жаропрочных элементов в установках нефтедобывающей и аэрокосмической отраслях, газотурбинных установках.
Ученые лаборатории нанотехнологий металлургии ТГУ первыми в мире получили высокоэнтропийный (сплав из 5 и более металлов) керамический материал из комбинации порошков редкоземельных металлов гафния, титана, железа, ванадия, хрома и неметалла – азота. Эксперимент проведен с помощью метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Затем методом рентгеноструктурного анализа ученые выяснили, что полученные продукты синтеза имеют гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру.
В последние десятилетия научные коллективы ищут различные комбинации элементов, которые могут улучшить физико-механические свойства высокоэнтропийного сплава. По словам материаловедов ТГУ, использованная ими комбинация металлов и азота для получения высокоэнтропийного сплава нигде им ранее не встречалась.
«Мне пришла мысль смешать редкоземельные металлы – гафний, титан и другие, которые при реакции выделяют много тепла. Мы предположили, что из такой цепочки сможем получить раствор с объемно-центрированной кубической или гранецентрированной кубической кристаллической структурой, свойственной высокоэнтропийным сплавам», – рассказывает заведующий лабораторией нанотехнологий металлургии ТГУ Илья Жуков. «При использовании метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза порошковая смесь сама быстро и послойно «сгорает» за счет реакций металлов друг с другом и взаимодействия с азотом в герметичном реакторе».
У титана и гафния похожий химический состав, а у железа, ванадия и хрома почти одинаковые атомные радиусы и электроотрицательность. Все эти металлы имеют высокотемпературную экзотермическую реакцию с азотом, при которой выделяется большое количество тепловой энергии, добавляет старший сотрудник лаборатории нанотехнологий металлургии ТГУ Николай Евсеев.
С начала порошковая металлическая смесь прошла механическую активацию в планетарной мельнице в течение 120 минут. Затем ученые спрессовали порошки, сделали образцы диаметром 23 мм и массой 40 г и поместили их в реактор высокого давления, из которого удалили воздух и накачали азот чистотой 99,99 %. В качестве воспламеняющего слоя использовали титан. Горение происходило послойно и равномерно, что определило однородность состава продуктов синтеза. Следующим этапом работ станет изучение широкого спектра физико-механических свойств и установление взаимосвязей со структурой полученного материала.
«Если рассматривать Punctum в контексте, он поразительно ярок».
NGC 4945 — спиральная галактика, видимая с ребра, всего в 11 миллионах световых лет от нас в созвездии Центавра(Изображение предоставлено ESO)
Необычайно мощный загадочный объект, обнаруженный в соседней галактике и видимый пока только в миллиметровом радиодиапазоне, может оказаться совершенно новым астрофизическим объектом, непохожим ни на что, виденное астрономами ранее.
Объект был назван «Punctum», производным от латинского pūnctum , означающего «точка» или«точка», группой астрономов под руководством Елены Шабловинской из Института астрофизических исследований Университета Диего Порталеса в Чили. Шабловинская обнаружила его с помощью ALMA , Большой миллиметровой/субмиллиметровой решетки Атакамы.
Астрономы пока не знают, что это такое — известно лишь, что это компактное тело, у него удивительно структурированное магнитное поле и, по сути, это объект, излучающий огромное количество энергии.
«Если рассматривать это в контексте, Punctum поразительно яркий — в 10 000–100 000 раз ярче типичных магнетаров, примерно в 100 раз ярче микроквазаров и в 10–100 раз ярче почти каждой известной сверхновой , и только Крабовидная туманность превосходит его среди связанных со звездами источников в нашей галактике », — сказала Шабловинская.
Пунктум находится в активной галактике NGC 4945, довольно близком соседе нашей галактики Млечный Путь , расположенной в 11 миллионах световых лет от нас. Это чуть за пределами Местной группы. Однако, несмотря на такую близость, его невозможно увидеть в оптическом или рентгеновском диапазоне, а только в миллиметровом радиодиапазоне. Это только усугубило загадку, хотя космическому телескопу имени Джеймса Уэбба (JWST) ещё предстоит изучить объект в ближнем и среднем инфракрасном диапазонах.
Изображение яркого ядра NGC 4945, полученное с помощью телескопа ALMA, и врезка: компактный загадочный объект под названием Пунктум.(Изображение предоставлено: Елена Шабловинская и др.)
Что может быть Punctum?
Его яркость оставалась неизменной в течение нескольких наблюдений, проведённых в 2023 году, что означает, что это не вспышка или какое-либо другое преходящее явление. Миллиметровое излучение обычно исходит от холодных объектов, таких как молодые протопланетные диски и межзвёздные молекулярные облака. Однако высокоэнергетические явления, такие как квазары и пульсары, также могут генерировать радиоволны посредством синхротронного излучения, при котором заряженные частицы, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, описываются спиралью вокруг линий магнитного поля и излучают радиоволны.
Что мы знаем о Пунктуме, так это то, что, судя по силе поляризации его миллиметрового света, он должен обладать высокоструктурированным магнитным полем. Поэтому Шабловинская полагает, что наблюдаемое нами у Пунктума излучение — это синхротронное. Объекты с сильной поляризацией, как правило, компактны, поскольку более крупные объекты обладают хаотичными магнитными полями, которые нейтрализуют любую поляризацию.
Возможно, источником синхротронного излучения является магнетар , полагают учёные, который представляет собой пульсар с сильным магнитным полем . Однако, хотя упорядоченное магнитное поле магнетара отвечает всем требованиям, магнетары (и обычные пульсары, если уж на то пошло) гораздо слабее в миллиметровом диапазоне длин волн, чем Пунктум.
Остатки сверхновой , такие как Крабовидная туманность, представляющая собой беспорядочные внутренности звезды, выброшенные в космос в 1054 году нашей эры, ярко светят в миллиметровом диапазоне. Проблема в том, что остатки сверхновой довольно велики — сама Крабовидная туманность имеет диаметр около 11 световых лет, — тогда как Пунктум, очевидно, гораздо меньше и компактнее.
Крабовидная туманность, полученная космическим телескопом имени Джеймса Уэбба(Изображение предоставлено: NASA/JPL-Caltech)
«На данный момент Punctum действительно стоит особняком — он не вписывается ни в одну из известных категорий», — сказала Шабловинская. «И, честно говоря, ничего подобного не наблюдалось ни в одном из предыдущих миллиметровых обзоров, в основном потому, что до недавнего времени у нас не было ничего столь же чувствительного и высокоточного, как ALMA».
Существует оговорка, что Punctum может быть просто аномалией: экстремальной версией известного объекта, например, магнетара в необычной среде или остатка сверхновой, взаимодействующего с плотным веществом. Однако пока это лишь предположения, не подкреплённые доказательствами. Вполне возможно, что Punctum действительно является первым представителем нового типа астрофизических объектов, которые мы раньше не видели, просто потому, что их может обнаружить только телескоп ALMA.
В случае с Пунктумом, он в 100 раз слабее активного ядра NGC 4945, которое заряжается энергией от сверхмассивной чёрной дыры, питающейся падающим веществом. Пунктум, вероятно, вообще не был бы замечен в данных ALMA, если бы не его исключительно сильная поляризация.
Дальнейшие наблюдения с помощью ALMA, безусловно, помогут пролить свет на тип объекта Punctum. Наблюдения, которые открыли Punctum, были сосредоточены на ярком активном ядре NGC 4945; Punctum оказался в поле зрения лишь случайно. В будущих наблюдениях Punctum с помощью ALMA можно будет добиться гораздо более низкого уровня шума, не беспокоясь о пересвечении яркого ядра галактики, и его также можно будет наблюдать на разных частотах.
Наибольшую помощь потенциально может оказать JWST. Если он сможет увидеть инфракрасный аналог, то его более высокое разрешение может помочь определить, что такое Punctum.
«Высокое разрешение и широкий спектральный диапазон JWST могут помочь выяснить, является ли излучение Punctum чисто синхротронным или включает в себя пылевые или эмиссионные линии», — сказала Шабловинская.
На данный момент это сплошные «если» и «но», и все, что мы можем сказать наверняка, это то, что астрономы столкнулись с настоящей загадкой, которая до сих пор сбивает их с толку.
«В любом случае, — заключила Шабловинская, — Punctum показывает нам, что в миллиметровом небе ещё многое предстоит открыть».
Статья, описывающая открытие Punctum, была принята в журнал Astronomy & Astrophysics, а предварительная версия доступна на сайте astro.ph .
Комментарии