Температура во Вселенной

Галактика Андромеды M31 в УФ

Температурой в физике называют величину, которая количественно выражает степень нагретости различных тел. Учитывая, что в область изучения часто попадают не только твердые тела, но жидкости и газы, то существует более общее понятие температуры, как степень кинетической энергии частиц.

Единица измерения температуры

Системной единицей измерения температуры является Кельвин (сокращено К), в которой за точку отчета берется абсолютный нуль — состояние вещества с нулевой кинетической энергией частиц. В быту чаще всего используются градусы Цельсия (сокращено °С), для которых точка отчета соответствует точке замерзания воды. Один градус Цельсия равен Кельвину, и соответствует 1/100 части температурной разницы между точкой замерзания и точкой кипения воды. Абсолютный нуль равен −273,15 градусов Цельсия.

С точки зрения квантовой физики и при абсолютном нуле температуры существуют нулевые колебания, которые обусловлены квантовыми свойствами частиц и их окружающего физического вакуума.

Среднегодовая температура

Наша планета находится в зоне жизни своей звезды. Зоной жизни называется пространство достаточно удаленное от своей звезды, в котором на поверхности планеты возможно существование воды в жидкой форме. Современные метеорологи (специалисты по земному климату и погоде) чаще всего используют температурные измерения приземного воздуха с помощью ртутных или спиртовых термометров (температура замерзания ртути и спирта равна -38.9°C и -114,1°C соответственно).

Температура поверхности Земли

Температура поверхности Земли

По международной методике измерения должны происходить на двухметровой высоте от поверхности земли в специальной метеорологической будке, удаленной от антропогенного ландшафта. Среднегодовая температура приземного воздуха на поверхности Земли равна +14°С. В то же время в отдельных частях планеты температура приземного воздуха сильно отличается от этого значения по причине разного времени года или суток, различной географической широты, удаления от океана, высоты над средним уровнем моря и близости к вулканическим областям.

Диапазон температур Земли

Самый небольшой температурный перепад приземного воздуха наблюдается в экваториальных районах Мирового океана. Так на острове Рождества, который находится в центральной экваториальной части Тихого океана сезонные температурные перепады ограничены диапазоном 19-34 градусов Цельсия. Впрочем, считается, что самый ровный климат наблюдается в местечке Гарапан на острове Сайпан (Мариинские острова). В течение 9 лет с 1927 по 1935 г. самая низкая температура здесь была зарегистрирована 30 января 1934 г. (+19.6°С), а самая высокая — 9 сентября 1931 г. (+31,4°С), что дает перепад 11,8°С.

Континенты характеризуются значительно более высокими температурными перепадами. В долине Смерти (Калифорния) 10 июля 1913 года было зарегистрировано +56.7°C, а 13 июля 1922 года регистрировалось +57.8° C (позже это значение было оспорено). На российской станции Восток, 21 июля 1983 года, наблюдалось -89,2° C. Самый большой перепад температур зарегистрирован в российском Верхоянске —  106,7° C: от -70° C до +36.7°С. Самая низкая среднегодовая температура зарегистрирована в 1958 году на Южном полюсе (-57,8°С). Самая высокая среднегодовая температура зафиксирована в местечке Феранди (Эфиопия) в 60-х годах 20 века (+34°С).

Поверхностная температура Земли отличается ещё экстремальными значениями в связи с тем, что темная поверхность днем может прогреваться до значительно более высоких температур по сравнению с воздухом. В долине Смерти (Калифорния) 15 июля 1972 года регистрировалось +93.9°C. Вероятно такие высокие поверхностные температуры могут вызывать в условиях сильного ветра аномальные кратковременные всплески температуры воздуха (в июле 1967 году в иранском Абадане был зарегистрирован резкий рост температуры воздуха до +87.7°С).

Распределение годовых максимальных температур Земли

Тепловое электромагнитное излучение согласно закону смещения Вина
Тепловое электромагнитное излучение
Анализ снимков спутника “Aqua“
Максимальная поверхностная температура в иранской пустыне
Статистическое распределение годовых максимальных температур поверхности на планете
Анализ спутниковых снимков за 1982-2013 годы

Поверхность нашей планеты является источником теплового электромагнитного излучения, максимум которого находится в инфракрасной области спектра (согласно закону смещения Вина).

Благодаря этому свойству околоземные спутники могут измерять температуру любой точки поверхности Земли в отличие от наземных метеостанций.

Температура плато Аргус

Температура плато Аргус

Анализ снимков спутника “Aqua“ за 2009-2013 годы позволил определить, что максимальная поверхностная температура в иранской пустыне в 2005 году достигала +70.7 °C.

Статистическое распределение годовых максимальных температур поверхности на планете показывает четыре кластера (ледники, леса, саванны/степи и пустыни).

Другой анализ спутниковых снимков за 1982-2013 годы показал, что минимальные температуры в Антарктиде могут достигать -93.2 °C.

Несмотря на то, что земная поверхность в среднем получает от Солнца в 30 тысяч раз больше энергии, чем от земных недр, геотермальная энергетика является важным элементом экономики некоторых стран (к примеру, Исландии).

Бурение рекордной Кольской скважины показало, что на глубине 12 км температура достигает +220°С.

Анализ снимков спутника “Aqua“

Анализ снимков спутника “Aqua“

Изотерма +20 °C в земной коре проходит на глубинах от 1500-2000 м (районы многолетней мерзлоты) до 100 м и менее (субтропики), а в тропиках выходит на поверхность. В горных районах термальные источники имеют температуру до +50…+90 °C, а в артезианских бассейнах на глубинах 2000—3000 м вода с температурой +70…+100 °C и более.

Точка, где наблюдалась минимальная температура, не является самой высокой частью ледника: её высота составляет около 3900 метров против 4093 метров у Плато А (Аргус).

Более ранний анализ снимков спутника “Aqua“ за 2004-2007 годы подтверждает, что самые холодные зимние температуры наблюдаются на хребте B, который соединяет плато А и плато F (Фуджи).

В районах активного вулканизма термальные источники проявляются в виде гейзеров и струй пара, выносящих на поверхность пароводяные смеси и пары с глубин 500—1000 м, где вода находится в перегретом состоянии (+150…+200 °C). В подводных гидротермальных источниках (“черных курильщиках”) наблюдаются температуры до +400 °C. В вулканах температура лавы может повышаться до +1500°C.

Оценки теплового потока из недр планеты в разных частях поверхности Земли
Вариант теоретической температуры глубинных слоев планеты
Температура глубинных слоев планет
Температурный профиль земной атмосферы

На основе лабораторных экспериментов, данных сейсмологии и теоретических расчетов считается, что в недрах планеты температуры могут превышать 7 тысяч градусов. Несколько вариантов теоретической температуры глубинных слоев планеты.

Если бы наша планета не обладала атмосферой, то согласно закону Стефана-Больцмана её средняя температура равнялась бы не +14 °C, а -18 °С. Различие объясняется тем, что земная атмосфера поглощает часть теплового излучения поверхности (парниковый эффект). Это во многом объясняет, почему с ростом высоты над поверхностью планеты падает не только давление, но и температура.

Температурный максимум в стратосфере (на высоте примерно 50 км) объясняется взаимодействием озонового слоя с ультрафиолетовым излучением Солнца. Температурный пик в экзосфере (ионосфере) связан с ионизацией молекул внешних разреженных слоев атмосферы под действием солнечного излучения. Суточные колебания в этом слое могут достигать нескольких сотен градусов. В экзосфере происходит улетучивание земной атмосферы в космос.

Температурные колебания у других планет Солнечной системы

Хорошим примером температурных колебаний в случае, если бы у Земли не было атмосферы, является Луна. По наблюдениям спутника LRO температура поверхности нашего спутника изменяется от +140°C в небольших экваториальных кратерах до -245 °C на дне полярного кратера Hermite (Эрмита). Последнее значение даже меньше, чем измеренная температура поверхности Плутона -245 °C или любого другого небесного тела Солнечной Системы, для которого были проведены температурные измерения. Тем самым температурные колебания на Луне достигают 385 градусов. По этому показателю Луна занимает второе место в Солнечной Системе после Меркурия.

Колебания температуры поверхности Луны

Колебания температуры поверхности Луны

Измерения приборов, оставленных экипажами миссий Аполон-15 и Аполон-17, показали, что на глубине 35 см, температуры в среднем на 40-45 градусов теплее, чем на поверхности. На глубине 80 см сезонные колебания температуры исчезают, и постоянная температура близка к -35 °С. Оценивается, что температура ядра Луны равна 1600–1700 K. Куда более высокие температуры могут появляться во время падения астероидов.

Температурный профиль Венеры

Температурный профиль Венеры

Так в древних земных кратерах обнаружены фианиты, для образования которых из циркона требуются температуры, превышающие 2640 Кельвинов.  Достижение таких температур невозможно при земном вулканизме.

Ближайшая к нам планета – Венера характеризуется аномально плотной атмосферой с давлением эквивалентным 90 земных атмосфер. За счет чудовищного парникового эффекта температура поверхности планеты достигает 480°C, что больше чем на Меркурии.

 Сезонные различия в температурных профилях для Венеры заметны лишь на больших высотах.

Измеренные температуры в южном полушарии с помощью наблюдений аппарата “Венера-Экспресс” между маем 2006 и декабрем 2007 года составили от 422 °C до 442 °C. По другим измерениям от 10 августа 2006 года температура поверхности планеты изменяется от 453 °C до 473 °C. В то же время, наблюдения станции “Венера-Экспресс” позволили обнаружить горячие пятна с температурой до 830 °C (средняя температура поверхности планеты оценивается в 473 °С), которые могут быть лавовыми потоками и свидетельством текущей вулканической активности.

Температурный профиль атмосферы Венеры

Температурный профиль атмосферы Венеры

Предполагается, что самой высокой точкой Венеры являются горы Максвелла и так же самым холодным местом на планете. Температура там составляет около 380 °C. По измерениям аэростатов двух советских станций Вега в 1985 году, температура на высоте 55 км составляет около 40°C при давлении в 0.5 земных атмосфер.

Температура Меркурия днем колеблется от 430 °C до 280 °C в зависимости от нахождения в перицентре или апоцентре орбиты, а ночью падает до — 170 °C. Но на дне полярных кратеров температура может составлять только — 220° C, что позволяет существовать там большим скоплениям льда. Скопления льда в полярных кратерах Меркурия были обнаружены ещё в 90х годах 20 века с помощью радиолокации, которая оказалась бессильна для подобного открытия на Луне.

Сравнение температуры поверхности разных планет

Сравнение температуры поверхности разных планет

Для защиты от солнечных лучей на первом спутнике Меркурия – станции “Мессенджер” был установлен специальный защитный керамический экран. Благодаря экрану температура бортовых систем зонда находилась на уровне 20 °C, в то время как лицевая часть экрана разогревалась до 370 °С. Но “Мессенджер“ стал далеко не самым “жаропрочным“ космическим аппаратом. Западногерманские станции “Гелиос” ещё в 70х годах 20 века приблизились к Солнцу на рекордное расстояние, где аппараты могли также нагреваться до 370 °C (11 солнечных постоянных на Земле). Специальные зеркала станций не позволяли солнечным батареям нагреваться выше 165 °C, а температурный режим бортовых систем был ограничен диапазоном между -10°C и 20°С. В полете самая высокая температура, которая была зарегистрирована на “Гелиос-В“ составила 150°С.

Будущий зонд NASA — Parker Solar Probe подвергнется ещё более жестким испытаниям. В перицентре его орбиты на зонд будут воздействовать сразу 520 солнечных постоянных на Земле. Это эквивалентно температуре в 1400 °С. Специальный керамический экран толщиной в 11 см позволит поддерживать на станции комнатные температуры. На зонде будут отсутствовать солнечные батареи, электропитание будет осуществляться от плутониевых генераторов.

Многие известные объекты то же способны приближаться к Солнцу на рекордно близкое расстояние. К их числу можно отнести астероид Фаэтон, температура которого в перицентре может достигать 750 °C. В 2009 году аппарат STEREO-A зарегистрировал двукратное увеличение блеска видимого блеска Фаэтон в перицентре.

Средняя температура поверхности Марса составляет около — 55 °С. Максимальные зарегистрированные температуры составляют +35°C (по данным марсохода Спирит в кратере Гусева), минимальные -153°C (температура на полюсах по данным орбитальных станций). Сравнение температурных профилей атмосфер Марса, Земли и Венеры.

Температурные профили атмосферы Венеры, Земли и Марса

Температурные профили атмосферы Венеры, Земли и Марса

Первые пролетные станции в системе крупнейшей планеты Солнечной Системы показали, что инфракрасное излучение (и соответственно температура атмосферы) Юпитера на 60% больше, чем следовало из теоретических моделей, учитывающих только нагрев от Солнца.

Температура ядра Юпитера

Температура ядра Юпитера

При снижении атмосферного зонда станции “Галилео” в 1995 году, он передавал данные до глубины в 160 км от верхнего слоя облаков, где его температура достигла 160 °C, а давление 22 земных атмосфер. Температурный профиль атмосферы Юпитера.

Спутник Ио стал одним из самых больших сюрпризов при исследовании системы Юпитера космическими зондами. Его поверхность является самой молодой в Солнечной Системе, на ней отсутствуют ударные кратеры. Измерения со станции Галилео показали, что температура вулканов на этом спутнике достигает как минимум 1340°C. В то же время измерения ночной стороны Ио в полярных регионах показывают участки поверхности с температурой всего в 90-95 К. На другом “геологически молодом“ спутнике Юпитера – Европа величина возможных тепловых аномалий ограничена лишь несколькими градусами в районе гипотетических гейзеров.

Температурный профиль атмосферы Юпитера

Температурный профиль атмосферы Юпитера

В целом же температуры на поверхности Европы колеблются от 110 K на экваторе до 50 K на полюсах.

В отличие от Европы на спутнике Сатурна Энцеладе станции Кассини удалось зарегистрировать тепловую аномалию в районе обнаруженных гейзеров. Температуры в районе гейзерных разломов достигают 157 K против 85-90 K у окружающей местности. Теоретические расчеты говорят, что температура внутри небольшого спутника может достигать 1000 К.

Другим интересным спутником системы Сатурна является Титан – единственный спутник Солнечной Системы с атмосферой. Посадка аппарата Гюйгенс позволила определить температуру на поверхности Титана и построить её температурный профиль.

Измерения Кассини в 2004-2014 годах показали, что температура на поверхности Титана изменяется лишь на 3.5 градусов: от 89.7 ± 0.5 K на южном полюсе в зимний период, до 93.65 ± 0.15 K в экваториальных районах:

Температурный профиль Титана
Температура на поверхности Титана
Температурные измерения на Титане

Измерения Вояджера-2 позволяют оценить температуру ещё одного геологически активного спутника – Тритона в системе Нептуна. Температура поверхности Тритона близка к 38 K, а температура верхних слоев составляет примерно 95+/-5.

Сейчас считается, что Тритон холоднее карликовой планеты Плутон, которая находится почти на том же расстоянии от Солнца. Субмиллиметровые наблюдения в 2005 году позволили оценить среднюю температуру поверхности Плутона и Харона в 42±4 K и 56±14 K соответственно (Харон является более теплым по причине более низкого альбедо поверхности). Наблюдение звездных покрытий показывает, что максимальные температуры в атмосфере Плутона наблюдаются на высоте около 30 км: 110 К.

Самым удаленным объектом Солнечной Системы из известных на сегодня является карликовая планета Эрида. Наблюдения теплового излучения Эриды с помощью телескопов Гершель, Спитцер и ALMA показывают, что температура её поверхности меньше 30 К. В то же время эти же наблюдения говорят, что температура поверхности спутника Эриды – Дисномия за счет более высокого альбедо превышает 40 К.

Температура звезд

Наше Солнце является звездой главной последовательности спектрального класса G. Средняя температура её поверхности составляет примерно 5778 K, а внутри ядра по теоретическим расчетам достигает 15,7 млн. К.

Температура звезд

Температура звезд

Впрочем, эффективная температура солнечного ветра составляет 0.8 млн. K, солнечной короны 1-3 млн. K, а у солнечной вспышки может составлять многие десятки миллионов градусов (максимум их излучения приходится на рентгеновское излучение).

Во Вселенной Солнце является совершено рядовой звездой. Температуры поверхности обычных звезд колеблются от 2300 K у красных карликов, до 50 000 K у голубых карликов. В то же время существует особый класс звезд — звезды Вольфа — Райе, у которых температура поверхности может превышать 50 тыс. К. Число известных звезд этого типа в Местной группе галактик может составлять только несколько тысяч. Сейчас известно около 500 таких звезд в нашей галактике, 150 в Магеллановых облаках, 206 в М33 и 154 в М31. Подобные звезды отличаются большой плотностью, наличием сбрасываемых оболочек похожих на планетарные туманности. Считается, что они представляют собой последний этап эволюции одиночных массивных звезд перед стадией взрыва сверхновой. Наиболее горячей звездой из них считается WR 102 с оцениваемой температурой в 210 тыс. K и светимостью в половину миллиона светимости Солнца. Масса этой звезды оценивается в 20 масс Солнца при радиусе меньше 0.4 радиусов Солнца.

Материалы по теме

Температура звезды

Расчеты показывают, что WR 102 (созвездие Стрельца, расстояние 5 тыс. парсек от Земли) может стать сверхновой через 1500 лет.

Другой крайностью являются коричневые карлики, температура которых может быть ниже, чем у планет Солнечной Системы. Анализ данных телескопа WISE позволил найти одиночный коричневый карлик в WISE 0855−0714 в 2.2 парсек от Земли с рекордно низкой температурой: 225-260 K. Его масса оценивается в 3-10 масс Юпитера.

Одновременно сейчас известны планеты, температура поверхности которых превышает температуру поверхности многих звезд. В 2010 году было опубликовано открытие транзитной планеты WASP-33b. Наблюдения вторичного затмения этой планеты определили её температуру в 3358±165 K. В 2017 году было опубликовано открытие ещё более горячей транзитной экзопланеты – KELT-9b. По оценкам температура этой планеты достигает 4600 K, что соответствует температуре поверхности звезд спектрального класса K4. В связи с этим планета KELT-9b более горячая, чем большинство звезд в галактике.

Коричневый карлик

Коричневый карлик

Кроме того в 2011 году было опубликовано открытие ещё одной экстремальной планеты Кеплер-70b. Эта планета была обнаружена на основе регистрации периодических пульсаций в яркости горячего (27730 ± 270 K) субкарлика, эволюционирующего в белый карлик. Теоретические расчеты говорят, что планета обращается вокруг звезды по 6 часовой орбите, должна обладать температурой поверхности как минимум в 6 тыс. K. Противоположным примером является недавнее открытие коричневого карлика HD 4113С, который обращаясь вокруг близкой солнцеподобной звезды за несколько десятков лет, обладает температурой в 300 K.

Звездные остатки обладают ещё более высокими температурами. Так в 2015 году было опубликовано открытие самого горячего белого карлика RX J0439.8-6809 с температурой поверхности в 240 тыс. K. Теоретики считает, что тысячу лет назад эта звезда была ещё горячее – температура её поверхности составляла 400 тыс. K. Для сравнения максимальная температура нашего Солнца в будущем не превысит 200 тыс. К. После достижения максимальной температуры белые карлики начинают медленно остывать: теоретически вплоть до абсолютного нуля. В 2014 году был обнаружен белый карлик с оцениваемой температурой меньше 3 тыс. К.

Температуры нейтронных звезд

Более экзотические остатки звезд – нейтронные звезды обладают ещё более высокими температурами поверхности. Максимум их излучения лежит в рентгеновском диапазоне и гамма-лучах. Так ярчайшими источниками в гамма-лучах на земном небе является тройка нейтронных звезд – в Крабовидной туманности, в туманности в Парусах и радиотихая звезда Геминга.

Гамма-источники

Гамма-источники

Теоретические оценки, что во время рождения нейтронной звезды температура её поверхности составляет около 100 млрд. K, затем за 100 секунд она снижается до млрд. K. Уменьшение температуры с 1 млрд. K до 100 млн. K происходит за 100 лет, а охлаждение до млн. K за миллион лет. В связи с этим наблюдаемые температуры поверхности известных нейтронных звезд составляют примерно 0.1-1 млн. K. Так поверхностная температура пульсара в Крабовидной тумманости (возраст около тысячи лет) оценивается менее чем в 1.55 млн. K, а его температура ядра в 3 млрд. K. Поверхностная температура пульсара PSR J1840-1419 в 2013 году была оценена менее чем в 600 тыс. K, а возраст в 16.5 млн. лет. Но наиболее старым считается радиопульсар PSR J2144-3933. За этим объектом числится сразу несколько рекордов: ближайший радиопульсар (180 парсек) и радиопульсар с самым большим периодом (8.51 секунд).

Нейтронные звезды в одной картинке

Нейтронные звезды в одной картинке

Возраст пульсара оценивается в 272 млн. лет, а температура поверхности в 0.23-1.9 млн. К. Если температура во время обычного взрыва сверхновой составляет “лишь“ 10-100 млрд. K, то во время экзотического гамма-всплеска (столкновение нейтронных звезд) она может достигать уже несколько десятков трлн. К. Кроме того существует теория, что взрывы сверхновых могут порождать особый экзотический тип звезд: “’электрослабые звезды”. Их температура составляет уже несколько петаКельвинов (1 петаК = 1000 трлн. К). Эти объекты могут воссоздавать Большой взрыв в первые 10-10 секунд в объеме равном яблоку (при массе в 2 массы Земли).

Высокотемпературные процессы черных дыр

Черная дыра в представлении художника

Черная дыра в представлении художника

Не менее высокотемпературные процессы происходят в аккреционных дисках черных дыр. Так черная дыра звездных масс (Scorpius X-1) является ярчайшим рентгеновским источником на земном небе, а аккреционный диск сверхмассивной черной дыры (Лебедь А) является ярчайшим радиоисточником на земном небе.  Недавние наблюдения российского космического радиотелескопа “Радиоастрон“ показали, что эффективная температура центральной части ближайшего квазара 3C273 составляет от 10 до 40 трлн. K. Существует теория, что эффективная температура темной материи в активных галактических ядрах составляет около зетаКельвина (1021 К), что в десятки миллионов раз больше наблюдаемой температуры видимой материи у этих объектов.

Температура межзвездной среды

Межзвездная среда так же отличается очень большими температурными контрастами. В межзвездных ударных волнах температура может превышать млрд. К, а в скоплениях галактик типичные температуры составляют млн. K. С другой стороны измеренная температура туманности Бумеранг в созвездии Центавра в 5 тыс. световых лет от Земли за счет быстрого расширения составляет только 1 К. Эта температура даже ниже чем современная температура реликтового излучения (2.725 K). Кроме этого примера в природе известно ещё только одно явление со схожей температурой: загадочное “холодное пятно“, которое на 70 микроK холоднее среднего значения температуры реликтового излучения. Эта разница значительно больше, чем среднеквадратичное отклонение реликтового излучения (18 микроK). Холодное пятно находится в направлении созвездия Эридана, его диаметр около 10 угловых градусов. Предполагается, что этим объектом может являться огромный супервойд диаметром около 150-500 мегапарсек, который находится в 2-3 гигапарсек от нас (z=1).

Холодное пятно

Холодное пятно

С другой стороны существует теория, что температура излучения Хокинга для свермассивных черных дыр составляет ещё меньшую величину: 10-18 К.

Температура нашей Вселенной во время Большого взрыва

 В будущем температура реликтового излучения будет продолжать уменьшаться. А какая была температура нашей Вселенной во время Большого взрыва? Теория утверждает, что на 5×10−44 секунде Большого взрыва температура нашей Вселенной была равна температуре Планка. Её примерное значение равно 1.4х1032 K, и оно характеризует один из фундаментальных пределов в квантовой механике. Современная физическая теория не способна описать что-либо с более высокой температурой из-за отсутствия в ней разработанной квантовой теории гравитации. Выше планковской температуры энергия частиц становится настолько большой, что гравитационные силы между ними становятся сравнимы с остальными фундаментальными взаимодействиями.

Материалы по теме

Планковская температура

В соответствии с текущими представлениями космологии,  Планковская температура — это температура Вселенной в первый момент (планковское время) Большого взрыва.

При всей фантастической огромности Планковской температуры в настоящее время астрономы уже подбираются к наблюдениям подобных экстремальных температур. Речь идет о регистрации частиц космических лучей ультравысоких энергий, температура которых “лишь“ примерно в миллион раз меньше, чем температура Планка или в миллионы раз больше температур (энергий) столкновений частиц в БАК. Первоначально считалось, что существование таких частиц маловероятно, так как согласно пределу Грайзена-Зацепина-Кузьмина протоны с энергиями выше 5х1019 эВ должны взаимодействовать с фотонами реликтового излучения с последующей потерей энергии. Расчеты показывали, что среднее расстояние уменьшения энергии должно составлять около 50 мегапарсек. Однако уже 22 июля 1962 года с помощью эксперимента Volcano Ranch (Нью Мексико) была обнаружена первая частица космических лучей с энергией в 1.0×1020 eV (16 J). 15 октября 1991 года другая установка в Юте зарегистрировала частицу с ещё большей энергией — 3×1020 eV (50 J), которая получила неофициальное название, как “частица Бога“.

"Частица Бога"

«Частица Бога»

Современные теоретики считают наиболее вероятным, что рекордные по энергиям (температурам) частицы космических лучей связаны с активными ядрами галактик (аккреционными дисками сверхмассивных черных дыр). Огромная энергия (температура) частиц космических лучей сверхвысоких энергий может являться нетепловым излучением частиц, которые разгоняются в огромных природных ускорителях джетов свермассивных черных дыр, размером с галактику (к примеру, эффективная температура радиоизлучения пульсаров оценивается в 1023-1031 К). Анализ координат 87 частиц космических лучей с энергиями, превышающими 57х1018 eV, которые были зарегистрированы установкой Telescope Array (Юта) в 2008-2013 годах показал, что 19 из них (27%) концентрируются к области в созвездии Большая Медведица, которая по площади занимает только 6% неба.

Большая Медведица

Большая Медведица

Среди зафиксированных частиц максимальная энергия составляла 162.2х1018 eV, что почти в 2 раза меньше чем у “частицы Бога“ 1991 года. Стоимость установки Telescope Array (507 детекторов на площади 700 кв. км) составляет около 25 миллионов долларов. Модернизация установки стоимостью 6.4 миллиона долларов позволит увеличить количество собираемых данных в 5 раз.

Статистика частиц космических лучей по энергиям

Кроме того в Аргентине с 2008 года работает Pierre Auger Observatory, состоящая из 1600 детекторов размещенных на площади 3 тысяч км2. На 2015 год максимальная зарегистрированная энергия частиц была заключена между 1×1020 eV и 2×1020 eV.

Аргентинская обсерватория

Аргентинская обсерватория

Кроме связи частиц космических лучей ультравысоких энергий со сверхмассивными черными дырами обсуждается возможность их связи с частицами темной материи.

По мере технологического развития человеческая цивилизация получает возможность работать со всё большим диапазоном температур. Так температура горения древесины составляет 800—1000 °C, а температура промышленных взрывов для горных работ уже 2700—4200 °C. Температура в центре термоядерного взрыва достигает 400 млн. градусов. Создание дорогостоящего БАК позволило достичь ещё более экстремальных температур (энергий): 2-13 экзоК (1018 К).

С другой стороны в земных лабораториях учатся работать со сверхнизкими температурами. В 1877 году французский инженер Луи Кайете и швейцарский физик Рауль Пикте независимо друг от друга охладили кислород до жидкого состояния (90,2 К). В 1883 году Зигмунт Врублевски и Кароль Ольшевски выполнили сжижение азота (77,4 K). В 1898 году Джеймсу Дьюару удалось получить и жидкий водород (20,3 K). В 1893 году проблемой сверхнизких температур стал заниматься голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес. Ему удалось создать лучшую в мире криогенную лабораторию, в которой 10 июля 1908 года им был получен жидкий гелий (4,2 К).

Хейке Камерлинг-Оннес (справа) с помощником Герритом Флимом

Хейке Камерлинг-Оннес (справа) с помощником Герритом Флимом

Позднее ему удалось довести его температуру до 1 Кельвина. Эксперименты Камерлинга-Оннеса с помощниками 8 апреля 1911 года неожиданно обнаружили, что при температуре в 3 K электрическое сопротивление ртути падает до нуля. Так было случайно открыто явление сверхпроводимости.

В последующие годы Хейке Камерлинг-Оннес осуществлял попытки получить твердый гелий. К 1918 году ему удалось получить температуру в 0.8 K, но гелий продолжал оставаться жидким. И только в 1926 году ученик Камерлинг-Оннеса Виллем Хендрик Кеезом смог получить 1 см³ твёрдого гелия, используя не только низкую температуру, но и повышенное давление. Гелий — единственный элемент, который не затвердевает, оставаясь в жидком состоянии, при атмосферном давлении и сколь угодно малой температуре. Переход в твёрдое состояние возможен только при давлении более 25 атм.
В 1995 году удалось получить первый бозе-эйнштейновский конденсат, агрегатное состояние вещества, основу которого составляют бозоны, охлаждённые до температур, близких к абсолютному нулю (меньше миллионной доли кельвина). В таком сильно охлаждённом состоянии достаточно большое число атомов оказывается в своих минимально возможных квантовых состояниях, и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне. Для получения экзотического вещества использовался газ из атомов рубидия, охлаждённый до 170 наноКельвин (нК) (1,7х10−7 Кельвин). Используя это же вещество, в 2000 году удалось установить новый рекорд замедления скорости света – 0.2 мм/c. В 2014 году атомы рубидия удалось охладить до 50 пикоК (50х10−12 Кельвин).

В современных лабораториях, возможно, поддерживать постоянную температуру на уровне 1.7 миллиК. Так в 2014 году в течение 15 суток поддерживалась температура в 6 миллиК в объеме один кубический метр.


comments powered by HyperComments

Подпишись на рассылку лучших статей от Spacegid.com. Без спама.
Нажимая на "Подписаться", вы даете согласие на обработку персональных данных

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Просмотров записи: 50
Система Orphus