В День России мы вспоминаем не только историю, но и современные достижения науки. За последние 25 лет российские ученые не раз приковывали внимание всего мира к своим открытиям: от новых элементов таблицы Менделеева до прорывов в энергетике и изучении космоса. Мы расскажем лишь о нескольких ярких исследованиях и разработках, которые изменили не только отечественную, но и мировую науку.
Фабрика невозможного
Подмосковная Дубна стала настоящей кузницей сверхтяжелых химических элементов. Их создают в Объединенном центре ядерных исследований (ОИЯИ) при помощи мощнейших ускорителей, а сверхтяжелыми называют, поскольку располагаются они в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева далеко за ураном — самым тяжелым элементом, присутствующим на Земле в большом количестве. Все они чрезвычайно радиоактивны. Период полураспада известных изотопов не превосходит нескольких десятков секунд. Однако по прогнозам ученых, еще неоткрытые изотопы сверхтяжелых элементов могут жить гораздо дольше — десятки и тысячи лет — рассказал Науке.mail заместитель директора Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований (Дубна) Александр Карпов. По его словам, сверхтяжелые элементы на Земле не найдены, но их существование было предсказано около 60 лет назад, и они синтезируются искусственно.
Элементы с атомными номерами более 100 удается получить только на мощных ускорителях, где тяжелое ядро-мишень обстреливают легкими ядрами-снарядами. При попадании в цель происходит их слияние. Так рождаются новые элементы.
За последние 70 лет Периодическая таблица Д.И. Менделеева пополнилась 18 новыми элементами (101−118), из которых в ОИЯИ, основанном в 1956 году, синтезировано десять, пять из которых — в последние десятилетия.
В 1999−2000 годах совместно с американскими коллегами из Ливеморской и Окриджской национальных лабораторий был получен флеровий — элемент с атомным номером 114, названный в честь советского физика-ядерщика, одного из основателей ОИЯИ, академика Георгия Флерова. 116-й элемент — ливеморий — открыли в 2000 году. Московий с атомным номером 115 — в 2003. Тогда же ученые получили элемент с порядковым номером 113 — нихоний. Приоритет в его открытии, а следовательно, и право предложить название в итоге получили японские ученые, потратившие на эксперимент несколько лет. В 2006 году был открыт оганесон — элемент с атомным номером 118, названный в честь научного руководителя Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ академика Юрия Цолаковича Оганесяна А в 2009 году — теннессин с порядковым номером 117.
Создать необходимое для синтеза оборудование оказалось не так-то просто. Успех ученых ОИЯИ на мировой арене случился благодаря тому, что они сумели добиться рекордной чувствительности экспериментов, выполняя их на ускорителе У-400 и сепараторе DGFRS.
У-400 неоднократно модернизировали, чтобы пройти по таблице Менделеева дальше. В 2011 году начали строить новый ускоритель ДЦ-280 и новый сепаратор DGFRS-2. Интенсивность пучка, то есть число «снарядов», достигающих мишени за одну секунду у него в 10 раз больше, чем у ускорителей-предшественников. Сепаратор DGFRS-2 — отсеивает ненужные ядра, а нужные доставляет к детекторам примерно в три раза эффективнее, чем старый. Строительство обошлось в 24 миллиона долларов. Благодаря этому шесть лет назад в Дубне начала работать Фабрика сверхтяжелых элементов. А в 2021 году запустили DGFRS-3, у которого сразу два отвода: один для экспериментов по изучению ядерно-физических свойств и структуры сверхтяжелых ядер, а другой — для изучения химических свойств сверхтяжелых атомов.
В 2022 году на Фабрике открыли сразу три неизвестных ранее изотопа: дармштадтий-276, хассий-272 и сиборгий-268. Сейчас ученые работают над синтезом 119-го и 120-го элементов периодической таблицы. Это не только позволит расширить наши знания о материи, но и пошатнет фундаментальный закон Менделеева в области очень тяжелых, еще не открытых элементов. На практике оказалось, что чем больше атомный номер созданных в лабораториях сверхтяжелых элементов, тем они стабильнее — живут дольше, хотя речь все еще идет о долях секунды.
Луч новой науки
Другой уникальный проект подарил отечественной науке еще один город на Волге. Нижний Новгород стал родиной настоящей жемчужины в прямом и переносном смысле. PEARL (PEtawatt pARametric Laser — петаваттный параметрический лазер) — лазерная установка, мощность одного импульса которой превышает 2 ПВт, что в тысячу раз превосходит мощность всех действующих электростанций на Земле. Этой мощности достаточно чтобы разогреть вещество до температуры, превышающей температуру в недрах Солнца.
Лазер PEARL – разработка российских ученых из Института прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук (ИПФ РАН). Он входит в десятку самых мощных лазерных систем в мире и является первым сверхмощным лазером, построенным по принципу параметрического усиления чирпированных импульсов. Пример оказался настолько успешным, что фактически все современные проекты сверхмощных лазерных систем по всему миру построены по аналогичному принципу.
«Сердцем» лазерного комплекса является огромный (до 15 см в диаметре) водорастворимый кристалл KD*P, проявляющий особые нелинейные оптические свойства. В нем энергия импульса лазера увеличивается примерно до 30 Дж за счет процесса, который называется «параметрическое усиление света». Это похоже на дозаправку самолета в воздухе: если излучение нашего лазера пересекается в нелинейном кристалле под определенным углом с излучением вспомогательного наносекундного лазера «накачки», то энергия последнего «перетекает» в наш импульс, и он усиливается. Технология роста и обработки кристаллов группы KDP была создана в ИПФ РАН фактически с нуля и занимает на мировом рынке лидирующие позиции.
Кроме того, сотрудники ИПФ РАН разработали уникальную технологию повышения пиковой мощности фемтосекундных лазерных импульсов CafCA (Compression after Compression Approach). Технология использует нелинейные свойства среды или, иными словами, зависимость скорости света от его мощности, из-за которой короткие мощные импульсы в среде искажаются. Мощность лазера PEARL после применения технологии CafCA доходит до 2 ПВт, импульс при этом содержит всего 4 колебания оптического поля и имеет длительность чуть более 10 фс.
Передовые технологии лазера PEARL, легли в основу одного из самых амбициозных научных проектов современности – экзаваттного лазерного комплекса XCELS, первые шаги по реализации которого уже сделаны в ИПФ РАН в сотрудничестве с Институтом лазерно-физических исследований ВНИИЭФ (ГК «Росатом»). В XCELS электрон-позитронные пары будут рождаться при острой фокусировке в одну точку 12 лазерных каналов с мощностью каждого до 70 ПВт. Форма фокусирующих зеркал будет обеспечивать максимально возможные поля в точке фокуса, где должны зарождаться каскады электрон-позитронных пар.
Теперь исследователи хотят увеличить мощность установки до 10 петаватт. Кроме того, в недалеком будущем планируется создать лазер мощностью до 200 петаватт, а в дальнейшем — до 1 экзаватта. Проект получил название XCELS. Появление такой установки ожидается не ранее, чем к 2030 году. Лазерный комплекс XCELS входит серию шести проектов класса «мегасайенс», которые одобрены к реализации в России. В его основе будет лазерная система из 12 синхронизированных каналов, что позволит создать экстремально сильное электромагнитное поле в области фокусировки, и тогда ученым откроется физика вакуума и его нелинейные свойства. Можно будет экспериментально проверить то, что сегодня активно прорабатывается теоретиками: вакуум в полях более 1025 ватт на квадратный сантиметр активно взаимодействует с излучением, в нем рождаются пары частиц и античастиц.
Окно во Вселенную
Нейтринный телескоп Baikal-GVD (Baikal Gigaton Volume Detector) — одна из самых молодых мегаустановок в нашей стране. Модернизация прежнего Байкальского глубоководного нейтринного телескопа 1990-х годов для превращения его в нейтринную обсерваторию гигатонного масштаба началась в 2016 году и будет продолжаться до 2030 года. Наряду с IceCube на Южном полюсе и ANTARES и KM3NeT в Средиземном море Baikal-GVD входит в Глобальную нейтринную сеть (Global Neutrino Network), предназначенную для исследований потоков нейтрино от астрофизических источников. Его детекторы установлены на расстоянии 3,6 км от берега в водной толще Байкала на глубине 700 м и уходят вниз до 1,3 км.
Байкальский телескоп способен регистрировать мюоны и нейтрино высоких энергий, наблюдая за вспышками света, вызываемыми прохождением релятивистских частиц сквозь водную среду. Этот свет улавливает крупномасштабная система оптических модулей на вертикальных тросах. Каждый модуль содержит фотодетектор для регистрации черенковского излучения, возникающего при пролете мюонов и частиц, рожденных в нейтринных взаимодействиях.
Местоположение телескопа и свойства байкальской воды (ее чистота) позволяют достичь рекордной точности определения направления прихода первичных нейтрино. Это в четыре раза превышает точность, достигнутую в американском эксперименте IceCube в Антарктиде.
Нейтрино высоких энергий, приходящие из космоса, считаются сложнейшими объектами для наблюдений: они практически не взаимодействуют с веществом. Но, в отличие от заряженных частиц космических лучей, они не отклоняются межзвездными магнитными полями, тем самым точно указывая на место своего рождения. А по сравнению с фотонами нейтрино практически не поглощаются и не рассеиваются, благодаря чему способны достичь наблюдателя из удаленных или скрытых пылевыми облаками источников.
С помощью Baikal-GVD ученые могут исследовать происходившие в далеком прошлом процессы с огромным выделением энергии, особенности эволюции галактик, формирования сверхмассивных черных дыр и ускорения космических частиц до ультравысоких энергий.
В 2024 году Байкальским телескопом были обнаружены астрофизические нейтрино Млечного Пути с энергией, превышающей 200 ТэВ. Это открытие потребует пересмотра теории происхождения и распространения этих частиц в Галактике.
Baikal-GVD представлен большой международной коллаборацией «Байкал» — 11 научных организаций из 4 стран. В экспедиции принимают участие 60 человек. Группа ученых из Китая завершает настройку собственного экспериментального кластера в составе телескопа. На сегодняшний день подводная структура установки содержит 13 кластеров и 4 100 оптических модулей. Для развертывания в 2025 году сотрудники лаборатории нейтринной астрофизики высоких энергий ИЯИ РАН и лаборатории ядерных проблем ОИЯИ собрали еще около 660 оптических модулей. За время работы телескопа создано шесть научных лабораторий, опубликовано более ста научных работ. На дне Байкала в районе телескопа планируется установка нескольких новых приборов для низкофоновых измерений и развития мюонной томографии.
В сердце квазаров
Еще один нашумевший, но уже завершившийся международный космический проект — разработанный в Астрокосмическом центре Физического института им. П.Н. Лебедева РАН радиотелескоп «Радиоастрон», установленный на борту космического аппарата «Спектр-Р» в НПО им. Лавочкина. О нем Наука Mail рассказал заместитель руководителя Астрокосмического центра ФИАН Алексей Рудницкий.
Телескоп состоял из десятиметровой антенны, раскрывающейся в космосе, комплекса научного оборудования, приемников, усилителей и преобразователей сигналов. Это один из четырех аппаратов серии «Спектр». Недавно мы подробно рассказывали о работающей сейчас в космосе обсерватории «Спектр-РГ».
«Радиоастрон» был запущен в 2011 году для изучения космических объектов с помощью метода радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ), который позволяет получать изображения с высоким разрешением, недоступным для наземных радиотелескопов.
Космический радиотелескоп работал совместно с наземными радиотелескопами со всего мира. К наблюдениям подключались обсерватории, расположенные в РФ, Австралии, Европе, США, КНР, Японии, Южной Корее. С помощью методов РСДБ ученым удалось создать виртуальный радиотелескоп с диаметром, равным расстоянию между спутником и наземными антеннами, которое в определенные моменты нахождения на орбите космического радиотелескопа достигало 350 тыс.км. В свою очередь такой метод наблюдений позволил значительно увеличить разрешающую способность наблюдений и позволил глубже понять процессы, происходящие в нашей Вселенной.
«Радиоастрон» наблюдал за мазерами — областями образования звезд, квазарами — активными и мощными ядрами удаленных галактик, пульсарами — нейтронными звездами, источниками периодических излучений в радиодиапазоне.
Благодаря высокому разрешению обсерватории «Радиоастрон», впервые удалось обнаружить тонкую структуру рассеяния радиоизлучения пульсаров на межзвездной среде. Были обнаружены так называемые линзы в межзвездной среде — области турбулентности межзвездной среды, которые преломляют излучение астрономических объектов.
Одна из ключевых научных задач обсерватории «Радиоастрон» заключалась в наблюдении квазаров с высоким угловым разрешением, недоступным на наземных обсерваториях. Квазары — яркие удаленные объекты, которые представляют собой активные ядра галактик, излучающие мощные потоки энергии. Эти объекты могут находиться на расстоянии миллиардов световых лет от Земли, и их изучение предоставляет ценную информацию о Вселенной, а также о процессах, происходящих в галактических центрах. С помощью обсерватории «Радиоастрон» российским ученым удалось получить высокодетальные изображения квазаров и исследовать их структуру с беспрецедентной четкостью. Это открывает новые горизонты в астрономии, позволяя более глубоко понять механизмы, управляющие этими мощными объектами, а также их влияние на окружающую среду.
При помощи обсерватории «Радиоастрон» ученые смогли получить информацию о сверхмассивной черной дыре, находящейся в центре нашей Галактики. Объект скрыт от наблюдения в видимом диапазоне непроницаемым облаком пыли и газа, зафиксировано лишь его радиоизлучение. На снимках черная дыра выглядит как размытое пятно.
«Радиоастрон» проработал в космосе до 2019 года, превысив свой гарантийный срок в 2.5 раза. За время своего существования телескоп установил несколько рекордов, которые в настоящее время так и остались непревзойденными:
- Стал самым масштабным научным инструментом в истории человечества;
- Превзошел мировые достижения по угловому разрешению, оно зафиксировано на уровне 14 миллионных доли секунды дуги;
- Максимальная база радиоинтерферометра составила 350 тыс. км;
- Был занесен в книгу Гиннеса как самый большой космический радиотелескоп (его диаметр составлял 10 метров).
Во время создания и функционирования обсерватории «Радиоастрон» было разработано множество уникальных технологий. Такие технологии уже используются как для решения прикладных задач, так и могут быть использованы для дальнейших детальных исследований экзопланет, черных дыр и других космических явлений, расширяя наши знания о Вселенной и ее эволюции в контексте будущих космических миссий.
Скважины в вечной мерзлоте
Наконец, нельзя обойти вниманием проекты, которые ученые и инженеры создают для работы в условиях Крайнего Севера. Так, на Ямале на Южно-Тамбейском месторождении с 2013 года работает буровая установка «Арктика».
Установка разработана с учетом специфических условий эксплуатации, включая низкие температуры (ниже −58°С), ледяные покровы и сложные геологические условия. Она устойчива к холодам и ветрам, поскольку оснащена системами обогрева и теплоизоляции. Мобильность установки обеспечивается модульной конструкцией. Вышка буровой установки состоит из 8 пространственных секций и имеет весьма внушительные размеры: ее полезная высота составляет 45 метров. Благодаря многоэтажной двухэшелонной компоновке, значительно уменьшена площадь, занимаемая буровой установкой.
Доставка установки до месторождения производилась в два этапа — железнодорожным и морским транспортом. Эшелоны буровой установки состоят из 34 модулей-контейнеров. За счет блочной конструкции удалось быстро провести монтаж установки на месте. Вес самых тяжелых модулей «Арктики» едва превышает 35 тонн, все контейнеры были специально оснащены теплоизоляцией, чтобы сохранить плюсовые температуры в помещениях буровой установки. В состав установки входит экологически чистая циркуляционная система, исключающая загрязнение окружающей среды.
Полное название конструкции — Буровая установка Уралмаш 6000/400 ЭК-БМЧ «Арктика», где 6000 м — максимальная глубина бурения скважин, а 400 — допускаемая нагрузка на крюке.
Такие установки играют ключевую роль в освоении арктических территорий и обеспечивают доступ к важным природным ресурсам, что особенно актуально в условиях изменения климата и растущего интереса к северным регионам. Их используют для геологоразведки и разработки нефтегазовых месторождений.
Ранее мы рассказывали о советском ученом-электротехнике Якове Гаккеле, чей тепловоз стал первым шагом к отказу от паровозов и переходу на новые рельсы технического прогресса.