A Supermassive Black Hole

In a single exposure, astronomers were able to confirm the existence of a supermassive black hole in the center of galaxy M84. They did this by using the Hubble Space Telescope's more powerful spectrograph to map the rapid rotation of gas at the galaxy's center. The colorful zigzag provides the evidence. If no black hole were present, the line would be nearly vertical. The Space Telescope Imaging Spectrograph measured a velocity of 880,000 mph within 26 light-years of the galaxy's center. This measurement allowed astronomers to calculate that the black hole contains at least 300 million solar masses. M84 is located in the Virgo Cluster of galaxies, 50 million light-years from Earth, and a nearby neighbor to the more massive M87 galaxy, which also contains an extremely massive black hole. The image on the left shows the galaxy's center in visible light.

Reversing a Quantum Force

Usually there is a tiny attraction between two objects that are nearly touching, because of the way they tweak the quantum-mechanical energy of empty space. But in the 14 January Physical Review Letters theorists propose that if the objects are made of the newly-discovered materials known as topological insulators, they can be arranged to either attract or repel one another. Although not the first example of such a repulsion, the result could give insight into both the new materials and the exotic force.

Even in complete darkness, quantum mechanics dictates that electromagnetic fields hum with tiny oscillations that cannot be eliminated. But they can be modified: just as fixing the ends of a guitar string restricts its possible vibrations, electromagnetic oscillations are constrained in the gap between two solid surfaces. For normal materials, the energy stored in the fields decreases as the solids get closer, which gives rise to an attraction known as the Casimir force.

Alberto Cortijo, now at the Autonomous University of Madrid, and graduate student Adolfo Grushin wondered how this force would differ when acting between topological insulators, exotic states of solids whose existence has recently been confirmed in real crystals. Electric current in such a material flows only on its surface and is not disrupted by crystal defects, theorists predict. They also expect electromagnetic fields to behave in unusual ways in the middle of the solid. For example, static electric and magnetic fields don't normally influence each other directly, but inside a topological insulator, they can interact. Although a similar interaction occurs in some other materials, it varies with details such as the light frequency. By contrast, in a topological insulator, the interaction is simply proportional to a so-called magnetoelectric coupling constant that is an odd multiple of pi.

The Casimir effect depends on the way electromagnetic waves reflect off of the two surfaces. But the conducting surface of a topological insulator would reflect in a way similar to an ordinary, shiny metal and prevent the waves from penetrating to the exotic environment inside. So Cortijo and Grushin propose using a trick other theorists have suggested for getting waves past the surface: coat the topological insulator with a thin magnetic film that prevents it from conducting current.

Some electromagnetic waves will then reflect off of the crystal in unusual ways because of the magnetoelectric coupling inside, according to Grushin and Cortijo's calculations. For example, the polarizations of the waves will be scrambled by the reflection in a way different from conventional materials. This polarization scrambling changes the energy stored in electromagnetic fields between the two topological insulators and leads to a Casimir repulsion under some conditions.

The effect depends on the value of the magnetoelectric coupling parameter, which is determined by details of the material. But it can also be influenced by the direction of magnetization in the coating. Grushin and Cortijo found that when the coupling parameter has the same sign in both topological insulators, the ordinary Casimir attraction occurs. But when the signs are opposite in the two materials, the surfaces will repel if they get too close, perhaps within a fraction of a micron. So the short-range force could be changed from attractive to repulsive by changing the coating. Previous experiments have demonstrated a repulsive Casimir force, but only in the presence of a third material, such as a surrounding liquid.

The effect of magnetoelectric coupling on the Casimir force was not known before, says Joel Moore of the University of California, Berkeley, and Lawrence Berkeley National Lab, even though other consequences of the coupling were explored theoretically 20 years ago. Still, he cautions that to see this and other macroscopic effects, experimentalists will need to produce more precisely engineered materials. Just the right number of electrons are needed at the surface to allow a magnetic film to freeze them out. "So far no one has been able to go to the next step to be able to provide a strong enough perturbation to make the surface really insulating," he says.

Seeing Red

This image by the Hubble Space Telescope shows a dramatic view of the spiral galaxy M51, dubbed the Whirlpool Galaxy. Seen in near-infrared light, most of the starlight has been removed, revealing the Whirlpool's skeletal dust structure. This new image is the sharpest view of the dense dust in M51. The narrow lanes of dust revealed by Hubble reflect the galaxy's moniker, the Whirlpool Galaxy, as if they were swirling toward the galaxy's core.

Planck discoveries run hot and cold

Scientists working on the Planck microwave probe have presented the mission’s first scientific results here at the 217th meeting of the American Astronomical Society meeting in Seattle. The results include the discovery of thousands of new cold cores in the Milky Way and a new way of spotting extremely hot galaxy clusters.

The European Space Agency's Planck probe was launched in April 2009, and is designed primarily to map the cosmic microwave background (CMB) – a remnant of the Big Bang that pervades the universe. However, the mission’s two instruments are also proving very useful at studying smaller structures such as stars and galaxies. Many of these new data will be used by astrophysicists to inform studies that use a number of other ground-based and space telescopes.

Introducing the results in Seattle, Planck scientist Charles Lawrence of the Jet Propulsion Laboratory described these structures as "bugs on the windshield" in the Planck data. So far, Planck scientists have written 18 scientific papers describing these bugs, as well as the first catalogue of objects seen by the probe – including a large number of never-before-seen structures.

'Teetering on the edge of star formation'

These include 10,000 cold, dense clouds of gas in the Milky Way called cold cores. They are thought to be some of the coldest objects in the universe and form when diffuse clouds of gas cool and contract. According to Planck scientist George Helou of Caltech, cold cores are "teetering on the edge of star formation". Therefore, the study of cold cores could provide important information about how stars form. "It's always coldest just before a star is born," said Helou.

One early finding is that cold cores can be up to 30 light-years across and weigh in at 1000 solar masses. This came as a surprise, according to Helou, because larger cores were not expected to survive being jostled about by the rotation of the Milky Way. Planck also found cold cores with temperatures as low as 7 K, which Lawrence described as "gratifying", because such temperatures had been predicted by theory.

Hotter than the Sun

Planck has also proven itself to very useful in the study of massive galaxy clusters, which can contain hundreds of galaxies and are the largest structures in the universe that are held together by gravity. These are mostly invisible dark matter but also contain large amounts of extremely hot gas at 10⁷ Kelvin – which is much hotter than the Sun.

Indeed, the gas is so hot that it emits mostly X-rays and can't be seen with an optical telescope. However, it can be seen by Planck because microwave radiation passing through a cluster is given an extra energy "kick". This is called the Sunyaev-Zel'dovich (SZ) effect and can be detected by Planck.

According to Planck scientist Elena Pierpaoli of the University of Southern California, the probe has already discovered 12 new galaxy clusters. Many of these have dim X-ray signals and therefore would not have been spotted by X-ray telescopes. Another benefit of Planck, according to Pierpaoli, is that the SZ effect is not affected by long distances and so the probe can look back further in time.

What about the CMB data?

Although these dead bugs are very useful to astrophysicists, the main prize from Planck will be a much better insight into the early universe brought by its superior CMB measurements. Unfortunately cosmologists will have to wait another two years before these data are released – despite the fact that Planck has already produced the best map of the CMB yet. The reason, according to Lawrence, is that more measurements of the CMB intensity and polarization are needed before cosmologists can differentiate between various phenomena in the early universe.

Electron beams do the twist

A new twist on transmission electron microscopy (TEM) could enable the technique to unlock even more secrets on the nanoscale. Researchers in the US have produced a helical-shaped beam of electrons that could produce significantly higher-resolution images than is possible with conventional TEM, and it could be used to capture images of hard-to-spot bacteria and proteins.

TEMs work by firing a beam of electrons through a material and measuring how it absorbs and deflects the particles to build up an image of the sample. A microscope equipped with twisted electron beams should be able to produce images with even greater resolution thanks to the fact that the beams exchange large amounts of orbital angular momentum with the materials they interact with.

Twisted beams are already in used in optical microscopy, but it is much more difficult to twist beams of electrons. That is because electrons, like all other particles, have an associated wave whose wavelength is much shorter than that of light, so electron waves need to pass through much tinier structures to become twisted.

A special hologram

This has now been achieved by a group of researchers, including Ben McMorran of the National Institute of Standards and Technology (NIST), who fire electron beams through a specially designed hologram, which causes the beams to diffract. The diffraction created an ordinary plane wave beam, along with several helical-shaped beams, and the researchers were able to confirm the shape of beams and analyse how they evolve in time.

Although there are other ways to produce helical electron beams, the researchers say they used diffraction holograms because they more easily generate controllable beams with precise quantized large orbital momentum. The holograms were fabricated using a very finely focused ion beam to cut a pattern of extremely small slits just 20 nm across though a thin silicon membrane 30 nm thick. The free-standing silicon nitride structures are also quite mechanically robust and can withstand irradiation by the 300 keV electron beam in a TEM. And, they are small enough to be placed in the microscope without having to modify the instrument.

In addition to biological applications, the twisted electron beams could also be ideal for imaging magnetic materials because they can induce torques on charges in a sample by transferring angular momentum to them. "At its most fundamental, magnetism in a material is entirely due to the angular momentum of constituent charges, so being able to probe that using these beams will provide a new way to look at magnetic samples with unprecedented resolution," said McMorran. "Quite recently another group confirmed this effect, which is very encouraging to us."

Building on recent work

Indeed, a separate team based in Japan recently described an electron vortex beam produced by a different method and provided data on a single set of fringes showing that, while the electrons had spiral wavefronts, they were not single quantized orbital states. And a third group, based in Europe, described a similar technique to NIST's but the holograms made were on the micro-scale as opposed to the nano.

"We made more complex, tinier holograms that enable us to achieve 10 times the separation angle between beams – important for applications – and 100 times the orbital angular momentum on electrons," explains McMorran. "This is possible because each grating in our hologram produces multiple beams with higher diffraction orders containing proportionally larger amounts of angular momentum."

The team is now working on ways to make the holograms even smaller. "We are taking a more detailed look at the fundamental properties of these helically shaped electron beams too, which is interesting stuff in itself. And to top it all, we are developing theory to understand all of this," says McMorran.

به نقل از مجله نیچــر

مکانیک کوانتومی از پس چالش جدید برمی‌آید

آزمودن نابرابری‌ی لگت: نمودار آزمایش سونیا فرانکه-آرنولد و همکارانش؛ داخل عکس نمایشی از حالت‌های مختلف تکانه‌ی زاویه‌ای‌ی مداری ست.

از زمانی که مکانیک کوانتومی فرمول‌بندی شده است فیزیکدان‌های پرشمار از جمله آلبرت اینشتین با مفهوم درهم‌تنیدگی مشکل داشتند و به‌دنبال نظریه‌های جانشین بوده‌اند: به‌نظر می‌رسد مکانیک کوانتومی با تجربه‌های هرروزی‌ی ما بیگانه است زیرا آن‌چه را ویژگی‌ی واقعیت بیرونی می‌انگاریم یعنی این چشم‌داشت ‌را که شیءها حتی زمانی که مشاهده‌شان نمی‌کنیم خواص مشخص دارند نقض می‌کند. هم‌چنین به‌نظر می‌رسد مکانیک کوانتومی مستلزم واکنش آنی‌ی ذرات نسبت به رخ‌دادهای دوردست است و در نتیجه با اصل جای‌گزیدگی نیز در تناقض است که ارتباط بین اشیای دور از هم با سرعتی بیش از سرعت نور را ناممکن می‌داند. این خصلت‌های غیرعادی‌ی مکانیک کوانتومی را جان بل در نابرابرِی‌ی معروف خود بیان کرده است. بل نشان داد که ترکیب خاصی از اندازه‌گیری‌ها برای ذراتی که به‌شکل یک‌سان آماده شده‌اند در نظریه‌هائی که از واقعی‌انگاری و جای‌گزیدگی تبعیت می‌کنند کران‌دار هستند (از نابرابری‌ئی تبعیت می‌کند). او در عین حال نشان داد که پیش‌بینی‌ی مکانیک کوانتومی برای این اندازه‌گیری‌های ذرات درهم‌تنیده این نابرابری را نقض می‌کند. برای نمونه در آزمایش‌های بل دو مشاهده‌گر دور از هم، قطبیدگی‌ی ذرات‌ درهم‌تافته را در جهت‌های متفاوت اندازه‌ می‌گیرند و هم‌بستگی بین‌ این اندازه‌گیری‌ها را محاسبه می‌کنند. در دهه‌ی ۱۹۷۰ استوارت فریدمن و جان کلاؤزر و در دهه‌ی ۱۹۸۰ آلن اسپه این نوع آزمایش‌ها را انجام دادند و با اندازه‌گیری قطبیدگی فوتون‌های درهم‌تنیده درستی‌ی مکانیک کوانتومی را تأیید کردند.

جامعه‌ی فیزیک معمولا با این نکته که دنیای کوانتومی با "واقعی‌انگاری‌ی جای‌گزیده" تناقض دارد کنار آمده است اما در سال ۲۰۰۳ آنتونی لگت از دانشگاه ایلی‌نوی در اوربانا-شمپین تلاش کرد که با فداکردن جای‌گزیدگی، واقعی‌انگاری را به فیزیک بازگرداند. اگر دو موجود بتوانند هم‌بستگی‌هاشان را از راه ارتباط آنی نظم بدهند خواهند توانست خصوصیات مشخص داشته باشند. این طرح واقعیت‌پذیر اما جای‌ناگزیده آزمون بل را ارضا می‌کند اما آیا می‌تواند دنیای کوانتومی را نیز توصیف کند؟

چهار سال بعد فیزیکدان‌هائی در اتریش، سوئیس، و سنگاپور با داده‌هاشان این پرسش را پاسخ گفتند. آنها به جای مشاهده‌ی حالت‌های قطبیدگی‌ی خطی که معمولاً برای بررسی‌ی نقض نابرابری‌ی بل به کار می‌رود هم‌بستگی‌ی حالت‌هائی را بررسی کردند که قطبیدگی‌ی بیضوی دارند یعنی ترکیبی از قطبیدگی‌ی خطی و دورانی. حتی با این فرض که فوتون‌های درهم‌تنیده می‌توانند آناً با یک‌دیگر ارتباط برقرار کنند هم‌بستگی‌ی بین قطبیدگی‌ی حالت‌ها نابرابری‌ی لگت را نقض می‌کند. نتیجه‌ئی که به‌دست می‌آید این است: طرح واقعیت‌ پذیر اما جای‌ناگزیده‌ی لگت نمی‌تواند درهم‌تنیدگی را توضیح دهد و واقعی‌انگاری را نیز باید کنار گذاشت.

اینک سونیا فرانکه-آرنولد و همکارانش در دانشگاه گلاسگو و دانشگاه استرات‌کلاید آزمایش دیگری انجام داده‌اند که نشان می‌دهد فوتون‌های درهم‌تنیده هم‌بستگی‌هائی قوی‌تر از آن دارند که برای ذرات منفرد با خصوصیات خوش‌تعریف و مشخص امکان‌پذیر است حتی اگر در ارتباط دائم باشند. به ‌این ترتیب آنها نتیجه‌گیری‌ی فوق را تأیید می‌کنند. آنها در آزمایش‌ خود تکانه‌ی زاویه‌ای‌ی مداری‌ی هر فوتون را اندازه گرفتند.

برای فوتون تکانه‌ی زاویه‌ای‌ی مداری را می‌توان به‌صورت پیچ‌خوردن موج الکترومغناطیسی حول محور باریکه تصور کرد. این پیچ‌خوردگی می‌تواند به‌صورت یک یا دو مارپیچ و یا حتی مارپیچ‌های غامض‌تر با تکانه‌ی زاویه ای‌ی افزاینده باشد. فرانکه-آرنولد و همکارانش با الگوی مارپیچ دوتایی کار کردند. آزمایش با شلیک لیزر فرابنفش به درون بلوری اپتیکی آغاز می‌شود. این بلور فوتون‌های پرانرژی را به دو فوتون فروسرخ درهم تنیده تبدیل می‌کند. این فوتون‌ها وارد تمام‌نگارهائی می‌شوند که تحت فرمان کامپیوتر است و طوری تنظیم شده‌اند که حالت‌های تکانه‌ی زاویه‌ای تقریباً مکمل را حذف کنند. فوتون‌هائی را که از فیلتر می‌گذرند آشکارگر تک‌فوتون می‌شمارد. برای هم‌بستگی‌ی بین دو فوتون درهم‌تنیده هم نابرابری‌ی بل و هم طرح لگت و هم مکانیک کوانتومی پیش‌بینی‌هائی دارند. فرانکه-آرنولد توضیح می‌دهد که آنها به‌عمد تمام‌نگارهاشان را ناهم‌خط می‌کنند طوری‌که دیگر در وضعیت حالت‌های مکمل نیستند و هم‌بستگی‌ها را اندازه می‌گیرند. شمارش فوتون‌های هم‌فرود بیش از آن است که با نظریه‌ی لگت توافق داشته باشد.

فرانکه-آرنولد می‌گوید که نتیجه‌ی اصلی‌ی این آزمایش فلسفی‌ست به‌این معنی که ذرات درهم‌تنیده را نمی‌توان به صورت هستی‌های منفرد توصیف کرد حتی اگر با زوج خود در ارتباط دائم باشند و به‌اصطلاح "تله‌پاتی" داشته باشند. سیمون گروبلاخر از دانشگاه وین اشاره می‌کند که این آزمایش‌ها واقعی‌انگاری را برای طبقه‌ی بزرگی از نظریه‌های جای‌ناگزیده ناممکن می‌کند البته هنوز نظریه‌های جای‌ناگزیده‌ی دیگری نیز وجود دارد که نابرابری‌ی لگت برای‌شان درست نیست. گروه پژوهشی‌ی او بود که نخستین بار نشان داد نابرابری‌ی لگلت برای قطبیدگی ‍پروتون نقض می‌شود و می‌گوید از این که ویژگی‌ی دیگری در فوتون نقض این نابرابری را اثبات می‌کند خرسند است و اضافه می‌کند که این آزمایش‌ها به‌نظر ساده‌تر می‌آیند و گزینه‌ی آزمودن برهم‌نهش بیش از دو حالت را نیز فراهم می‌کنند.

ترجمه از سپهـــر

لینک مقاله اصلی

لینک مقـاله در وبلاگ

Going Supernova

While searching the skies for black holes using NASA's Spitzer Space Telescope, astronomers discovered a giant supernova that was smothered in its own dust. In this artist's rendering, an outer shell of gas and dust -- which erupted from the star hundreds of years ago -- obscures the supernova within. This event in a distant galaxy hints at one possible future for the brightest star system in our own Milky Way.

Tevatron still churning out exciting physics

Fermilab's ageing Tevatron may be due to cease operations at the end of September but for the time being it continues to produce new physics results. Researchers have found that pairs of top quarks and anti-top quarks are produced at the Tevatron with a greater spatial asymmetry than is expected from theory. The result suggests the existence of particles outside of the Standard Model, but this will need to be backed up with more data before physicists overhaul their current theories.

The Tevatron, located at the Fermilab near Chicago, collides protons with antiprotons. Among the many different kinds of particle produced in these collisions are pairs of top quarks and anti-top quarks, generated via the strong force. Detailed calculations reveal that charge should introduce a slight asymmetry when these particles are produced. The reason for this is that the positive charge of a quark contained within an incoming proton tends to repel a top quark very slightly while attracting an anti-top quark, and vice-versa for an incoming antiproton, thereby introducing a small asymmetry into the distribution of outgoing top quarks and anti-top quarks.

Analyses published in 2008 by the CDF and D0 collaborations at Fermilab did indeed provide evidence for this asymmetry. In fact, by carefully measuring the momenta of the particles into which the top and anti-top quark pairs decay, the researchers found that this asymmetry was larger than predicted by the Standard Model. But the discrepancy between theory and experiment was not that significant – the measured value of the asymmetry lying within two standard deviations, σ, of the predicted value.

Now, however, having accumulated a lot more data in the last two years, CDF has found the discrepancy to be more substantial. In particular, the collaboration studied how the asymmetry varies according to the total energy of the top/anti-top pair. At energies of less than 450 GeV (gigaelectronvolts), they found the asymmetry to actually be slightly negative, at –12±15%, but still therefore in line with the Standard Model prediction of 4%. Above 450 GeV, in contrast, they measured an asymmetry of 48±11%, compared with 8% predicted by theory. This anomaly, say the researchers, has a statistical significance of 3.4σ, or less than a 1 in 100,000 chance that it is simply a statistical fluctuation.

Wouldn't bet their house on it

Despite the apparently very slim chance of the result being a fluke, CDF co-spokesperson Robert Roser says that no-one in the collaboration is "prepared to bet their house on it". He points out that "sometimes three sigma results turn into five or six sigma whereas others turn into zero sigma", adding that theorists are publishing new papers every day regarding the possible new particles that might be able to explain this result, but refusing to be drawn into theoretical speculation himself.

Indeed, Tommaso Dorigo, a member of the CMS collaboration at CERN in Geneva, which is also concerned with the analysis of symmetry in particle decays, cautions that the anomaly might not be so large if the uncertainty in the predicted asymmetry has in fact been underestimated. One potential cause of such an underestimation could be the modelling of how quarks and gluons are distributed within the colliding protons and antiprotons. So-called parton distribution functions, he points out, are measured in other experiments and then extrapolated to the energies at which the Tevatron operates and it is possible, he says, that this extrapolation produces a larger uncertainty than estimated. "The predicted asymmetry is just like a soup," he adds, likening the soup's recipe to the Standard Model. "There are many ingredients in the soup, and if the soup tastes bad, this may mean that one ingredient was not fresh; it does not necessarily mean that the recipe is wrong."

Establishing whether or not the latest result is watertight will require collecting more data at the Tevatron, says Roser. As he points out, the Tevatron is ideally suited to studying this asymmetry because the proton/anti-proton collisions automatically lead to pairs of top quarks and anti-top quarks. Producing anti-top quarks at the LHC, in contrast, requires collecting huge amounts of data because the accelerator's collision energy must be just right to produce an anti-top quark out of the vacuum. Roser adds that he is "disappointed but not surprised" that the Tevatron has not been granted a hoped-for extension beyond September, but expects the US collider to "still dominate the physics landscape for the next year to 18 months".

Dwarf galaxy solves supermassive mystery

Ever since supermassive black holes were found to lurk at the heart of most large galaxies, astronomers have wondered what came first: the galaxies or the black holes themselves? Now astronomers in the US have spotted the first known supermassive black hole at the heart of a very young "dwarf" galaxy, where stars are still breeding rapidly. The finding, obtained using data from the Very Large Array radio telescope in New Mexico and the Hubble Space Telescope, suggests that supermassive black holes form before their companion galaxies.

The mystery about which came first – galaxies or their supermassive black holes – initially arose when astronomers found that the mass of the black hole divided by that of the galaxy's dense central core (or "bulge") is the same for nearly all large galaxies, including our own Milky Way. It seemed that the black holes and bulges affect each other's growth – and therefore develop at the same time. However, over the past few years observations seem to be suggesting that young galaxies harbour much more massive black holes than this ratio would allow – suggesting that their black holes formed first.

Super-fast jets

The latest evidence backing this black-holes-were-first theory comes from Amy Reines and colleagues at the University of Virginia and the National Radio Astronomy Observatory (NRAO) in the US. They examined the intense radio waves emanating from the centre of Henize 2-10 – a galaxy with a radius about 3% that of the Milky Way and 30 million light-years from Earth. The galaxy is forming stars very rapidly and some astronomers believe that it resembles the first galaxies to form in the early universe.

The radiation streaming from the centre of Henize 2-10 was found to resemble that expected from super-fast "jets" of material spewed outward from areas close to a black hole. The presence of a supermassive black hole was then confirmed by measurements from the Chandra X-ray Observatory. These revealed intense X-ray emission from the galactic core, which – together with the radio data – indicated what the researchers say is a supermassive black hole a million times more massive than our own Sun.

The case strengthens

While central black holes of about the same mass have been found in other galaxies, those galaxies are larger – and have much more regular shapes – than Henize 2-10. They also do not support the same high rate of star formation as Henize 2-10. "Now, we have found a dwarf galaxy with no bulge at all, yet it has a supermassive black hole," says Reines. "This greatly strengthens the case for the black holes developing first, before the galaxy's bulge is formed."

That view is echoed by Reines' colleague, Kelsey Johnson of the University of Virginia. "This galaxy probably resembles those in the very young universe, when galaxies were just starting to form and were colliding frequently," she says. "All its properties, including the supermassive black hole, are giving us important new clues about how these black holes and galaxies formed at that time," Johnson says.

لینک منبع

ششمین حالت ماده کشف شد

فیزیک‌دانان اکنون با پنج حالت ماده یعنی جامد، مایع، گاز، پلاسما و چگالش بوز-اینشتین آشنایی دارند. اکنون به نظر می‌رسد که دانشمندان در شرف کشف گروه کاملا جدیدی از ماده هستند، ماده‌ای که تماما بر اساس ریاضیات بنا شده است.

به گزارش نیوساینتیست، نیلز باس، ریاضی‌دان دانشگاه علم و صنعت نروژ در استکهلم، راه‌های احتمالی فراوانی را که عناصر می‌توانند بر اساس آن با یکدیگر پیوند بخورند، کشف کرده است. باس هنگام انجام تحقیقات خود در زمینه توپولوژی - شاخه‌ای از ریاضیات برای مطالعه مشخصاتی که اجسام به دلیل شکلشان به دست می‌آورند- به این کشف دست یافته است. توپولوژی به طور خاص شکل‌های مختلفی از اجسام را بررسی می‌کند که آنها در صورت خم شدن یا فشرده شدن به خود می‌گیرند. برای مثال، دونات (نوعی شیرین حلقوی توخالی) و فنجان چای توپولوژی یکسانی دارند: این امکان وجود دارد که با فشرده کردن دونات و بدون از بین بردن سوراخ میانی، آن را به شکل فنجان تبدیل کنید.

باس مشغول مطاله حلقه‌های برونی (Brunnian Rings) بود، مجموعه‌ای از حلقه‌ها که به یکدیگر وصل هستند اما با بریدن تنها یکی از حلقه‌ها، می‌توان همه آنها را از هم جدا کرد. حلقه‌های بورومین (Borromean Rings) مشهورترین مثال از این حلقه‌ها هستند: هر کدام از سه حلقه بورومین تنها از میان یکی دیگر از حلقه‌ها عبور کرده است و بریدن یکی از حلقه‌ها، همه آنها را از هم جدا می‌کند. باس نشان داد که امکان ایجاد اتصالات به مراتب بیشتری وجود دارد: علاوه بر اتصال برونی برای چهار عضو یا بیشتر، مجموعه‌هایی از اتصالات برونی که به روش برونی به یکدیگر متصل شده‌اند، می‌تواند اشکالی را خلق کنند که باس آنها را ابرساختار (Hyperstructures) می‌نامد.

ابرساختارها و رایانه‌های کوانتومی

در سال 1970 / 1349، ویتالی افیموف که اکنون استاد دانشگاه واشنگتن است، پیش‌بینی کرد که توپولوژی حلقه‌های بورومین، به صورت فرمی از پیوند بین سه ذره که تا آن زمان ناشناخته بود، در طبیعت منعکس می‌شود. در پنج سال اخیر، دانشمندان ثابت کرده بودند که برخی از این پیوندها، می‌تواند در سیستم‌های فیزیکی رخ دهد. در سال 2006 / 1385، محققان وضعیت افیموف را در یک گاز از اتم‌های فوق شرد سزیم کشف کردند: هر اتم یک اتصال تک به اتم‌های دیگر داشت، اما برداشتن یکی از اتم‌ها همه آنها را به هم می‌ریخت. سپس در سال 2010 / 1389، محققان ژاپنی حلقه‌های بورومین را در پیوندهای بین هسته اتم‌ها کشف کردند. باس می‌گوید: «به نظر می‌رسد که این ساختارها به صورت دستورالعملی از آنچه می‌توان در دنیای واقعی ساخت عمل می‌کنند.» اما ابرساختارهای باس توپولوژی ذاتا متفاوتی با هر چیز دیگری دارند که تا کنون در طبیعت مشاهده شده است. باس تصور می‌کند که اگر بتوان گروه‌های ذرات را مجبور کرد تا به این روش به هم متصل شوند، موادی را شکل می‌دهند که مشخصات آنها تاکنون مشاهده نشده است. وی می‌گوید: «وقتی شما به یک مرحله بالاتر می روید، از نظر ریاضی چیز کاملا جدیدی اتفاق می‌افتد. من حدس می‌زنم که در دنیای واقعی نیز همین طور باشد.»

باس به همراه ند سیمن از دانشگاه نیویورک قصد دارد تا روش ساختن این ابرساختارها را کشف کند. سیمن که در سال 1997 / 1376، حلقه‌های بورومین را با استفاده از رشته های دی.ان.ای ایجاد کرد می‌گوید: «به نظر می‌رسد که ریاضیات پیشگویی خوب از واقعیت باشد. من خیلی امیدوارم که تلاش ما به نتیجه برسد.» باس قصد دارد تا کارهای دیگری هم انجام دهد. یکی از اهداف وی سر و کله زدن با اصول نظریه کوانتوم است. در یک پدیده کوانتومی به نام درهم‌تنیدگی، ذراتی که با هم اندرکنش دارند حتی اگر از هم جدا شوند، باز هم به طرز حیرت‌آوری با هم هماهنگ هستند و روی هم اثر می‌گذارند. به گفته باس اگر ذرات به شکل پیچیده برونی به یکدیگر متصل شوند، ممکن است قادر باشند تا حتی هنگام جدا شدن بر روی هم اثر بگذارند. به این ترتیب می‌توان راه‌های جدیدی برای خلق ارتباطات شبح‌وار راه دور، مشابه آنچه که در سیستم‌های درهم‌تنیده مشاهده می‌شود فراهم کرد.  باس می‌گوید: «با توجه به اینکه این اتصالات از توپولوژی استخراج شده‌اند، می‌توان به عقب بازگشت و آنها را در معادله شرودینگر جستجو کرد، معادله‌ای که ریاضیات نظریه کوانتوم را توصیف می‌کند.» بر همین اساس، می‌توان وضعیت‌های کوانتومی جدیدی را در آزمایشگاه خلق کرد.

با این کار می‌توان راه‌های جدیدی را برای ساخت رایانه‌های کوانتومی فوق قدرتمند پیدا کرد، رایانه‌هایی که اطلاعات ورودی آنها توسط وضعیت‌های کوانتومی ذرات تامین می‌شود. این اطلاعات کوانتومی می‌توانند در یک لحظه در وضعیت‌های مختلفی باشند، در نتیجه رایانه‌های کوانتومی می‌توانند حجم زیادی از محاسبات را به طور هم‌زمان انجام دهند.

لینک منبع

Space Oddity

In this image taken by the Hubble Space Telescope, an unusual, ghostly green blob of gas appears to float near a neighboring spiral galaxy.

The bizarre object, dubbed Hanny's Voorwerp (Hanny's Object in Dutch), is the only visible part of a 300,000-light-year-long streamer of gas stretching around the galaxy, called IC 2947. The greenish Voorwerp is visible because a beam of light from the galaxy's core illuminated it. This beam came from a quasar--a bright, energetic object powered by a black hole. The quasar may have turned off about 200,000 years ago.

This Hubble view uncovers a pocket of star clusters, the yellowish-orange area at the tip of Hanny's Voorwerp. The star clusters are confined to an area that is a few thousand light- years wide. The youngest stars are a couple of million years old. The Voorwerp is the size of our Milky Way galaxy, and its bright green color is from glowing oxygen.

An interaction between IC 2947 and another galaxy about a billion years ago may have created Hanny's Voorwerp and fueled the quasar. The Hubble image shows that IC 2947 has been disturbed, with complex dust patches, warped spiral arms, and regions of star formation around its core. These features suggest the aftermath of a galaxy merger. The bright spots in the central part of the galaxy are star-forming regions. The small, pinkish object to the lower right of IC 2397 is an edge-on spiral galaxy in the background.

Kepler bags first rocky exoplanet

The first rocky exoplanet has been discovered by NASA's Kepler space telescope, according to the mission's deputy science team leader Natalie Batalha. The planet is called Kepler-10b and has a density on par with that of iron – making it much denser than Earth. The exoplanet orbits a star about 560 light years from Earth.

Kepler-10b is about 20 times closer to its host star than Mercury is to the Sun – and as a result its surface temperature is expected to be as high as 1400 °C. It always shows the same side to its star and is likely to have oceans of molten rock on its day side and a solid night side, according to Batalha. It has an orbital period of about 0.84 days and its star is known to be about the same size as the Sun.

Since the discovery of the first extrasolar planet (exoplanet) in 1995, over 500 more have subsequently been unveiled. While most of these are gas giants like Jupiter, astronomers are getting better at finding smaller exoplanets that could be more similar to Earth. Before Kepler-10b was identified, the best candidate was Corot-7b. While Corot-7b could indeed be rocky, its star is very active, making it difficult to accurately determine its density.

Three key measurements

Kepler-10b, however, is a very different case because its star is very old – about 8 billion years – which means that it is very quiet and much easier to deal with. The team determined the planet's density by making three different observations. First, they determined its radius relative to the star's by measuring how much light it blocks when it transits between Earth and its star. Then they determined its mass (again relative to its star) by measuring the wobble of the star caused by the orbiting planet. The final, and crucial step was to determine the radius and mass of the star itself, which was done by measuring the vibrational frequency of "starquakes" on the star.

Putting it all together the team believes that the planet’s density is about 8.8 g/cm³, which is on par with Mercury

"This is the first unquestionably rocky planet," said Batalha today the American Astronomical Society meeting in Seattle. "Its discovery is an important milestone for humanity," she added. Geoff Marcy of the University of California at Berkeley, who was not involved in the work, said that the discovery "will go into every textbook on astronomy".

Night and day temperatures

Batalha said that the Kepler team is now studying a possible modulation in the amount of light that reaches the telescope during the planet's transit. This could allow the researchers to determine the temperatures of the day and night surfaces of the planet. While Kepler-10b is similar to Earth in some ways, it is not within the habitable zone around its star, where life could emerge – the Kepler group already knows it is much to hot for life as we know it.

One mystery surrounding Kepler-10b is how it managed to get so close to its star. Edward Guinan of Villanova University believes that it could be the remains of a gas giant like Jupiter that got so close to its star that the gas was blown off and only the rocky core remained.

A Phase Transition for Light

When a laser beam is intense enough, it can interact with the air around it in ways that lead to surprising effects. According to computer simulations to be published in the 12 November Physical Review Letters, the beam can act like a gas of quantum particles (fermions) or like a liquid droplet--and switch between the two as intensity is increased. Observing this transition in the lab would help researchers confirm that they understand the behavior of high intensity lasers in air, which they hope to use for improved transmission of signals across long distances.

An optical fiber confines light to its interior in part because its internal index of refraction--the factor by which it slows light compared with the vacuum--is larger than that for the outer coating material. A very intense beam of light propagating through a material can do something similar. It can align and distort nearby molecules, making the index of refraction larger at the intense center of the beam than at its edges, which prevents the light from spreading as it travels.

The possibility of sending this type of "self-focused" light pulse long distances could be important for remote sensing applications, such as LIDAR, which uses laser light the way radar uses radio waves. But nailing down the details of the interactions between intense light and atmospheric gases has been an experimental challenge. In 2009 a team at the University of Bourgogne in Dijon, France, managed to measure the refractive indices of nitrogen, oxygen, and air, for a high intensity, infrared laser. They found that as the laser intensity rises, the refractive index first increases, but then rapidly decreases beyond an intensity of a few tens of terawatts per square centimeter.

"We were inspired by these results," says Daniele Tommasini, of the University of Vigo in Spain. In their earlier research, Tommasini and his colleagues showed theoretically that this kind of intensity dependence would lead to more than simply self-focusing, which keeps light confined for only a limited distance. A light pulse could maintain a fixed shape in all directions, as a so-called soliton. The new measurements gave them a chance to use real experimental parameters in their model.

The team came up with a theoretical model based on the new data and also ran computer simulations. They were surprised to find that, depending on the intensity of the light, the solitons had strikingly different shapes: a high intensity pulse generated a soliton with intensity uniformly distributed across its cross-section, while a lower intensity pulse produced a soliton with high intensity at the center of the pulse and a gradual drop-off toward the edges.

The team describes these states as having an effective outward "pressure"--a tendency to spread because of standard optical effects--that is exactly canceled by their interaction with the gas. For the high intensity pulses, the pressure and light intensity are mathematically analogous to the pressure and density of a liquid droplet. The light is squeezed into a uniform distribution with a sharp boundary, similar to the way the surface tension of a liquid droplet maintains a well-defined boundary. In contrast, for lower intensity pulses, the mathematical analogy is with a gas of uncharged fermions. These particles, unlike photons, repel each other because of the Pauli exclusion principle.

The team has explored "liquid light" in earlier work, but the idea of fermionic light is new. Intrigued by the possibility of driving a phase transition between these two stable forms of light, they simulated focusing a grid of the "Fermi-like" light filaments into a single beam. They found that the filaments collapsed into a single "liquid-like" soliton, much like droplets coalescing.

Yuri Kivshar at the Australian National University in Canberra finds the prediction of the two types of light behavior "really surprising," though he notes that observing the transition from fermionic to liquid light may prove to be challenging in the lab. Still, Bruno Lavorel, a member of the University of Bourgogne experimental team, "strongly agrees" with Tommasini and his colleagues that the predicted transition can serve as an experimental test of researchers' understanding of the behavior of high-intensity light in air.

بقایای 'یکی از اولین ستارگان جهان' کشف شد

دانشمندان بریتانیایی و آمریکایی بقایای ستاره ای را که بیش از 13 میلیارد سال قبل منفجر شده کشف کرده اند. به گفته آنها این احتمالا یکی از اولین ستارگانی بود که در کیهان به درخشش در آمدند و جهان را روشن کردند. همه آنچه از این ستاره کهن باقی مانده توده ای از گاز است که در اثر انفجار ستاره در فضا منتشر شد. میزان تراکم اتم های این توده گاز بی شباهت به آنچیزی است که امروز در جهان نزدیک به ما دیده می شود و بیشتر شبیه به آنچیزی است که از ستارگانی که فقط از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده بودند، انتظار داریم.

این تحقیقات با تکیه بر رصدهای دو عدد از قوی ترین تلسکوپ های جهان - تاسیسات کک در هاوائی و وی ال تی در شیلی - انجام شد و نتایج آن در نشریه "مانتلی نوتیسز" متعلق به انجمن سلطنتی نجوم بریتانیا چاپ شده است. گفته می شود که این مطالعه شناخت تازه ای از رویدادهای کلیدی در نخستین مراحل اولیه کیهان فراهم می کند، به خصوص فراهم آورنده جزئیات تازه ای درباره پایان به اصطلاح "قرون تاریک" است، یعنی زمانی که ستارگان هنوز به وجود نیامده بودند.

پروفسور مک پتینی از موسسه نجوم کامبریج توضیح داد: "این دوره ای است که در مورد آن خیلی کم می دانیم، اما جهان در آن زمان جای خیلی کسل کننده ای بود، پر از هیدروژن و گاز هلیوم و به سختی چیز دیگری در آن پیدا می شد؛ هیچ نوری وجود نداشت برای همین به آن قرون تاریک می گویند." "و بعد به گونه ای از این وضعیت اولیه به ترکیبی فوق العاده از ستارگان و سیارات و کهکشان هایی که امروز در اطراف خود می بینیم بدل شد." تیم آقای پتینی با کار در کک و وی ال تی (Very Large Telescope) به کاوش در مورد ترکیب توده های دور افتاده گاز که به "سیستم های فرونشسته دیمان آلفا" معروف هستند پرداخت.

آنها مطالعات خود را در پرتو نور ساطع شده از اختروش ها (کوازار) - کهکشان های بسیار درخشان که علت درخشش آنها سیاهچاله های عظیم در مرکز کهکشان است - انجام دادند. این تحقیقات به شناسایی یک "دی ال ای" خاص منجر شد که یک مشخصه شیمیایی منحصر به فرد داشت - به طوری که نسبت اتم های کربن به آهن آن 35 بار بزرگتر از آنچیزی است که در خورشید اندازه گیری می شود. به این ترتیب محققان نتیجه گیری کردند که این گاز توسط ستاره ای که جرم آن 25 بار بزرگتر از خورشید است و اصلا فقط از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده بود در فضا منتشر شده است - دقیقا همان نوع ستاره ای که انتظار می رود به قرون تاریک پایان داده باشد.

پروفسور پتینی که این تحقیقات را با کمک رایان کوک هدایت کرده است گفت: "پی بردن به ماهیت اولین ستارگان جهان یکی از آرمان های ستاره شناسان است. به تصور ما این ستارگان زندگی های خیلی کوتاه و پرتلاطمی داشته اند. همه آنها حالا مرده اند، و حتی با قوی ترین تلسکوپ ها هم نمی توانیم آنها را به طور مستقیم مشاهده کنیم. آنچه ما یافته ایم بقایای یکی از این اولین ستارگانی است که در جهان تشکیل شدند، و عناصر کربن، اکسیژن، آهن و گاز خالص به صورتی در آن هست که قبلا هرگز دیده نشده بود.

نسل بعدی

نتایج این مطالعه که با همکاری موسسه فناوری کالیفرنیا (کلتک) انجام شد، موید یک چارچوب نظری است که دانشمندان برای توصیف این دوره قدیمی کیهان ساخته اند. دانشمندان معتقدند که اولین ستارگانی که در جهان به درخشش درآمدند غول های گازی بودند که اساسا محیط کیهان را دستخوش تحول کردند. آنها نه تنها بذر عناصر سنگین تر که برای تشکیل سیارات لازم بود را در کیهان کاشتند، بلکه تشعشعات شدید مافوق بنفش آنها گاز خنثی اطراف را "سرخ" کرد. پیامدهای این فرآیند اخیر حتی امروز نیز در پلازمای پراکنده ای که فضای میان ستارگان را پر می کند مشهود است.

پروفسور پتینی گفت: "این فقط اولین گام بود؛ مثل اینکه تازه فسیلی را پیدا کرده باشیم." "حالا که راه پیدا کردن این نوع شواهد فسیلی را یافته ایم، در وضعیت خیلی بهتری برای یافتن نمونه های دیگری از این گونه توده های گازی در جهان دوردست که حاوی سرنخ های ویژه است قرار داریم." یافتن اطلاعات در مورد این مقطع اولیه از تاریخ جهان، یعنی فقط چند صد میلیون سال پس از "انفجار بزرگ" (مهبانگ) یک دستاورد فوق العاده است زیرا رصدخانه های کک و وی ال تی را به مرز توانایی هایشان سوق می دهد. فقط با نسل بعدی رصدخانه ها - با تلسکوپ هایی که قطر آینه آنها ده ها متر است - می توان به کاوش عمیق تر درباره شرایطی که به قرون تاریک پایان داد پرداخت.

سازمان رصدخانه جنوبی اروپایی، که وی ال تی را اداره می کند، قصد ساختن تلسکوپی با آینه ای به قطر 42 متر را دارد و کلتک نیز مشغول پروژه ای برای ساخت تلسکوپی با آینه ای 30 متری است.

Movies of Electrons in Atoms

Physicists have long been able to snap atomic-scale pictures by shining a beam of electrons at a target, but filming the electronic structure of an atom as it changes in time is the next goal. A rapid "strobing" of electron pulses less than a millionth of a billionth of a second long should do the trick, according to a theoretical analysis in the 31 December Physical Review Letters. The authors demonstrate with computer simulations that ultrafast electron pulses could track the "breathing" state of an excited atom or the hopping of electrons between atoms in a molecule. Such movies open up the possibility of controlling the electrons that drive chemical reactions.

The electron cloud around an atom or molecule is described by a wavefunction that gives the likelihood of an electron being at each location. This probability distribution is typically fixed, but when energy is added to the system by incoming light or a chemical interaction, the wavefunction starts changing. This electronic rearrangement usually happens in a matter of attoseconds (10^-18 seconds), so researchers need a very fast "flash" to capture the motion. The attosecond light pulses that have recently been produced have wavelengths about 1000 times too large for resolving subatomic features, but electrons have a wave-like nature that can be tuned to the right size. Generating attosecond electron pulses is challenging, in part because electrons repel each other, but several research teams have proposed ways of doing it.

Once attosecond pulses are created, one of the next complications could come from inelastic collisions, in which the electrons around the atom are excited or stripped away by the electron pulse. "You'd rather not change the target that you are measuring," says Anthony Starace of the University of Nebraska in Lincoln. Previous theoretical work has checked for inelasticity in one-dimensional simulations, but Starace and graduate student Hua-Chieh Shao decided to perform a more thorough investigation in three dimensions. They simulated the scattering of 110-attosecond electron pulses from atomic and molecular targets. To simplify the calculations, each pulse had just a single electron--the pulse duration came from the inherent quantum uncertainty in the time that the electron strikes the target.

Starting with hydrogen, the researchers showed that a carefully timed laser pulse could excite the atom's one electron from the ground state into a combination ("superposition") of two separate atomic orbitals, corresponding to the 3p and 4p energy levels. The electron oscillated between the two states with a period of about 6 femtoseconds. Because the 3p orbital is closer to the nucleus than the 4p orbital, the atom appeared to be "breathing"--expanding and contracting. In their simulations, the researchers bombarded a beam of these atoms with electron pulses from one side and recorded the directions of the scattered electrons. The scattering data showed that the atoms periodically became larger targets, and further analysis showed that inelastic scattering only affected a small fraction of the scattering directions.

The team's second case was a molecule composed of two tritium atoms ("heavy" hydrogen). The researchers removed one electron and excited the other so that it periodically switched its orbit about every 4 femtoseconds from one tritium nucleus to the other. The wavefunction looked like two spheres, one surrounding each nucleus, with each sphere alternately growing and then shrinking to nothing. Twice during each cycle the spheres were of equal size, when the electron had equal probability of being around each nucleus. This configuration provided two electron clouds off of which the incoming electron "waves" could scatter, resulting in interference fringes similar to what one sees when light waves go through two slits. This interference pattern remained in the data even when the team added experimental complications, such as variations in molecular alignment and in the separation between nuclei.

"This work is important for experimentalists, because it adds a clear perspective of what could be doable," says Ernst Fill of Ludwig Maximilians University in Munich. It should help motivate further efforts in developing attosecond electron pulses, he says. "The first effects to be seen experimentally may be those presented in this paper."

شش ضلعی زمستانی

اگر بتوانید جبار را پیدا کنید، احتمالن شش ضلعی زمستانی را نیز خواهید یافت. شش گوشه (یا شش ضلعی) زمستان، از تعدادی از درخشان ترین ستارگان آسمان تشکیل شده. این ستارگان با هم، یک شش ضلعی بزرگ در آسمان زمستانِ نیم کره ی شمالی می سازند که به راحتی دیده می شود و آنقدر روشن هستند که معمولن حتی در آسمان روشنِ شب در شهرهای بزرگ نیز قابل تشخیصند؛ البته در این تصویر، آن ها را در آسمان تاریکِ Stagecoach، کلرادوی آمریکا می بینید.

شش ستاره ی سازنده ی شش ضلعی زمستانی عبارتند از: الدبران (یکی از چهار ستاره ی سلطنتی ایرانیان)، عیوق، کاستور (و پولوکس)، شعرای شامی، رجل جبار و سیروس (شباهنگ). در این تصویر، نوار کهکشان راه شیری از مرکز شش ضلعی زمستانی گذشته است. خوشه ی باز ستاره ای "پروین" نیز درست بالای تصویر به چشم می خورد.

How to walk through walls

Imagine being able to walk through a solid wall. That sort of trick might sound far-fetched, but it’s a little closer to reality now that researchers in China have created what they call an “invisible gateway”.

Huanyang Chen at Soochow University, Jiangsu, says that the effect is a bit like “platform nine and three-quarters” – that is, the fictional area of King’s Cross railway station in the Harry Potter books that is only accessible through a secret, illusionary wall. Although the researchers’ current demonstration is based on an electrical circuit for radio waves, Chen claims that it could also work for visible light.

The idea for the invisible gateway stems from so-called transformation optics, which gave us the first invisibility cloak back in 2006. Yet the invisible gateway is almost the opposite of a cloak: rather than bend light round an object to make the object invisible, the device makes an object – a wall – appear that isn’t really there. It is, according to Chen’s group, the first demonstration of illusion optics.

Network of capacitors and inductors

Chen, whose colleagues are based at the Chinese Academy of Sciences, Beijing, and the Hong Kong University of Science, created the invisible gateway using a network of capacitors and inductors. The network forms a channel that separates two electric conductors – the walls – one of which contains a slab of material with a negative index of permittivity and refraction. The combination of these two materials allows collective waves of electron, called plasmons, to form on the surface. The plasmons prevent electromagnetic waves from passing through the channel. To an observer, the channel looks like a continuation of the walls – so long as they are looking at electromagnetic radiation between 45 and 60 MHz.

Tom Driscoll, a researcher who studies novel electromagnetic devices at the University of California, San Diego, calls the demonstration a “good step”, although he notes that the progression to devices that work with visible light and at human scales are “decades or more away”. “The total sample size is quite small compared with the wavelength used, so I would like to have seen a bigger example,” he says. “However, this does demonstrate that the principle works.”

Martin McCall, a theoretical physicist at Imperial College, London, also thinks that the invisible gateway is an interesting development. “It's a viable addition to the pile of interesting electromagnetic structures being produced,” he says.

Chen and colleagues’ invisibility gateway is one of many ideas to have been realised used transformation optics in recent years. Last year, groups at Cornell University and the University of California at Berkeley independently created 2D cloaks that operated at optical wavelengths. Earlier this year, a team at the Karlsruhe Institute of Technology in Germany went one step further to produce a 3D optical cloak.

In 2008, Chen’s group proposed what might be the next step on these lines – a device that can cloak objects at a distance.

The research is available in Phys. Rev. Lett. 105, 233906

Sparkle

This Hubble Space Telescope image of galaxy NGC 1275 reveals the fine, thread-like filamentary structures in the gas surrounding the galaxy. The red filaments are composed of cool gas being suspended by a magnetic field, and are surrounded by the 100-million-degree Fahrenheit hot gas in the center of the Perseus galaxy cluster.

The filaments are dramatic markers of the feedback process through which energy is transferred from the central massive black hole to the surrounding gas. The filaments originate when cool gas is transported from the center of the galaxy by radio bubbles that rise in the hot interstellar gas. At a distance of 230 million light-years, NGC 1275 is one of the closest giant elliptical galaxies and lies at the center of the Perseus cluster of galaxies.

The galaxy was photographed in July and August 2006 with Hubble's Advanced Camera for Surveys.

مشاهده‌ی امواج رادیویی‌ی بسیار کم‌بس‌آمد پیش از زلزله‌ی ماه ژانویه در هاییتی

یک ماه پیش از زلزله‌ی ۷ ریشتری‌ی هاییتی، ماهواره‌ئی فرانسوی افزایش چشم‌گیری در امواج رادیویی بسیار کم‌بس‌آمد برفراز هائیتی مشاهده کرد.

در سال ۲۰۰۴ آژانس فضایی‌ی فرانسه CNES ماهواره‌ی کوچکی به نام دیمتر را به مداری قطبی در ارتفاع ۷۰۰ کیلومتری‌ی سطح زمین فرستاد با این مأموریت غیرعادی‌ که از امواج رادیویی‌ی بسیار کم‌بس‌آمد که زمین‌لرزه‌ها تولید می‌کنند خبر بگیرد. امروز گروهی از دانشگران داده‌های مربوط به زلزله‌ی ۷ ریشتری‌ی هاییتی در ماه ژانویه را ارائه کردند. آنها می‌گویند که پیش از زلزله دیمتر افزایشی آشکار در امواج رادیویی بسیار کم‌بس‌آمدی که پوسته‌ی زمین در آن ناحیه گسیل کرده مشاهده کرده است.

شواهد جسته‌وگریخته‌ در باره‌ی ارتباط بین زمین‌لرزه و آثار الکترومغناطیسی فراوان وجود دارد. زمین‌لرزه را برخی به نورهای اسرارآمیز و یا اثرهای گرمایشی ارتباط داده‌اند. شواهد گسترده‌ئی نیز وجود دارد که برخی حیوانات، شاید به‌دلیل حساسیت به میدان‌های الکتریکی‌ی کم‌بس‌آمد، می‌توانند زلزله را پیش از آن‌که رخ بدهد حس کنند.

اما در این باره داده‌های خوب یافت نمی‌شود. دانشگران علم زمین بیش از ۱۰۰ سال است جریان‌هائی را که از عمق زمین می‌گذرد اندازه گرفته‌اند. گمان می‌رود این جریان‌ها را که به جریان‌های تلّوری^۲ معروفند اصطکاک و آثار پیزوالکتریک درون صخره‌ها ایجاد می‌کنند. گذر الکترون‌های برخاسته از این جریان‌ها به ‍پدیده‌های مختلف جوی مانند تندرطوفان نسبت داده شده است.

اما نقش این جریان‌ها در فیزیک زمین‌لرزه ناشناخته است. معقول است حرکت نسبی‌ی بخش‌های همسایه‌ی پوسته‌ی زمین بر هر جریانی که از اصطکاک و آثار پیزوالکتریکی برخیزد تأثیر چشم‌گیر داشته باشد. اما این آثار در چنان فاصله‌های بزرگ و چنان بس‌آمدهای کم رخ‌ می‌دهند که اندازه‌گیری‌ و جداکردن‌ آنها از همهمه‌ی پس‌زمینه بسیارمشکل است. به‌همین دلیل است که دیمتر به فضا پرتاب شد (دیمتر نماینده‌ی حروف اول آشکارکردن گسیل الکترومغناطیسی برخاسته از ناحیه‌های لرزش زمین است).

اینک مایکل آتاناسیو از دانشگاه فنی سِرِس در یونان و برخی دوستانش می‌گویند دیمتر شواهد خوب از تغییر امواج رادیویی‌ی بسیار کم‌بس‌آمد در یون‌سپهر بر فراز هاییتی درست قبل از وقوع زلزله‌ی هاییتی به دست داده است: "در دوره‌ی یک ماه پیش از زمین‌لرزه‌ی اصلی نتایج به‌دست‌آمده افزایش قابل‌توجهی تا میزان ۳۶۰درصد در انرژی‌ی امواج بسیارکم‌بس‌آمد در مقایسه با انرژی پس‌زمینه را نشان می‌دهد." این افزایش چشم‌گیر است. و گسیل این امواج در ماه پس از زمین‌لرزه به‌تدریج کاهش یافت.

این نکته مستلزم نتایج جالبی‌ست. آتاناسیو و همکارانش می‌گویند: "نتایجی که در این مقاله آمده‌ است به‌وضوح نشان می‌دهد که امواج بسیار کم‌بس‌آمد می‌تواند برای آشکارکردن پدیده‌های پیش از زمین‌لرزه بسیار مفید باشند."

این گونه سخن‌گفتن بسیار دقیق دلایل خوب دارد زیرا هر گونه سخن‌گفتن از پیش‌بینی‌ی زمین‌لرزه باید مقدار زیادی اما و اگر همراه داشته باشد. شاید پوسته‌ی زمین پیش از رخ‌داد زمین‌لرزه امواج بسیار کم‌بس‌آمد بیشتری تولید می‌کند اما امکان دارد سازوکارهای دیگری نیز وجود داشته باشند که به زمین‌لرزه ربطی نداشته باشند و سیگنال مشابه تولید کنند. پیش از آن که بتوان به پیش‌بینی‌ی مفید رسید باید چنین آثاری را شناخت و جدا کرد.

علاوه بر این، مشکل مقیاس زمانی‌ی تولید این گسیل‌های الکترومغناطیسی نیز وجود دارد. افزایش فشارهائی که موجب زمین‌لرزه می‌شوند در مقیاس‌های زمین‌شناختی رخ می‌دهند و معلوم نیست چه‌گونه چنین فرآیندی می‌تواند به تغییر گسیل امواج الکترمغناطیسی‌ی کم‌بس‌آمد منجر شود. این نکته می‌تواند به این معنی باشد که پیش‌بینی بر اساس یک چنین داده‌هائی از آن‌چه فیزیک‌زمین‌شناسان در حال حاضر انجام می‌دهند یعنی دادن احتمال رخ‌داد زمین‌لرزه‌ی بزرگ طی‌ی مثلا ۵۰ سال آینده بهتر نباشد. چنین پیش‌بینی‌هائی مثلا در مورد استانداردهای ساخت‌وساز (در کشورهای پیشرفته‌ئی که می‌توانند از عهده‌ی هزینه‌ها برآیند) کاربرد دارد اما برای جلوگیری از فاجعه‌ی هاییتی در ژانویه هیچ فایده‌ئی ندارد.

واضح است که باید در چند جهت کارهای مختلف انجام شود. فیزیک‌زمین‌شناسان باید مجموعه‌ داده‌های بزرگ‌تری از گسیل امواج کم‌بس‌آمد الکترومغناطیسی در بازه‌های زمانی‌ی گسترده‌تری به‌دست آورند. باید فرآیندهائی که منجر به تولید امواج تلّوری می‌شود بهتر شناخته شوند. باید راهی پیدا شود که اندیشه‌های جدید را بتوان آزمود. و تردیدی نیست که دیمتر گام مهمی در این جهت است.

ترجمه از: سپهــر

لینک مقاله اصلی

پ.ن: تقدیم به دوست عزیزی که درباره ژئوفیزیک نیز مقاله خواسته بودند.

کارگاه فیزیک ذرات تجربی

پژوهشکده ذرات و شتابگرهای پژوهشگاه دانشهای بنیادی، کارگاه فیزیک ذارت تجربی را با عنوان فیزیک ذرات هیگز و تاپ در روزهای 19 و 20 بهمن ماه 1389 برگزار می کند.

عناوین کارگاه:
جلسات صبح: مبانی فیزیک ذره هیگز و کوارک تاپ
جلسات بعدازظهر: کارگاه آنالیز داده واقعی LHC

علاقه مندان می توانند برای کسب اطلاعات بیشتر به  وبگاه پژوهشکــده مراجعه فرمایید.

سرن شیدای دوباره‌ی پلاسمای کوارک گلوئون

برخورددهنده‌ی بزرگ هادرونی (ال‌اچ‌سی) پس از هشت ماه کار پی‌درپی، روز ۶ دسامبر با آخرین باریکه‌ کار خود را در سال ۲۰۱۰ به پایان رساند. از ۷ نوامبر یون‌های سرب با انرژی‌های حدود ۰/۵ پتاالکترون‌ولت در ال‌اچ‌سی به‌هم برخورد داده ‌شدند. این انرژی ۸۰ برابر انرژی‌ئی‌ست که در برخوردهای پروتون پروتون تولید می‌شود و منجر به شکل‌گرفتن حبابی چنان داغ و چگال از ذرات زیراتمی می‌شود که هسته‌ها به اجزای سازنده‌ی خود یعنی کوارک و گلوئون تجزیه می‌شوند. این حالت ماده که پلاسمای کوارک گلوئون (QGP) نام دارد، تنها کمی پس از مه‌بانگ در عالم اولیه وجود داشته است و جست‌وجو برای آن نخست در سال ۲۰۰۰ در سرخط خبرها قرار گرفت. در آن هنگام در برخورد یون‌های سنگین با "هدف‌های ثابت" در سرن شواهدی از حالت تازه‌ی ماده به‌دست آمد که ظاهراً نوعی پیش‌دستی بر آزمایشگاه ملی‌ی بروک‌هِیوِن در نیویورک بود که شتابگری مختص QGP به نام برخورددهنده‌ی یون‌های سنگین نسبیتی (RHIC) ساخته و تازه شروع به کار کرده بود. اما در سال ۲۰۰۵ RHIC اعلام کرد حباب‌گونه‌های کوارک گلوئون برخلاف آن‌چه انتظارمی‌رفت به گاز شبیه نیستند و رفتاری شبیه به مایعی با گران‌روی(ویسکوزیته)‌ی صفر دارند. در اوایل امسال فیزیکدان‌های RHIC تأیید کردند که کوارک و گلوئون و نه ذرات هادرونی اجزای اصلی‌ی شارش این مایع هستند.

انرژی‌ی برخوردهای ال‌اچ‌سی ۱۴برابر انرژی‌ی برخوردها در RHIC است و بزرگ‌ترین آزمایشگاه ذرات بنیادی در اروپا بار دیگر شیدای پلاسمای کوارک و گلوئون شده است. پس از چند روز، آزمایش آلیس که مختص بررسی‌ی برخوردهای یون‌های سنگین است شواهد حالتی چگال و داغ را یافته که علی‌رغم دمای بسیار زیاد مانند مایع حرکت می‌کند (arXiv: 1011.3914v1) و افزایش بارزی را در شمار ذرات حاصل از برخورد آشکار کرده است (arXiv: 1011.3916v2). سرن می‌گوید که اگر این دو نتیجه با هم در نظر گرفته شود برخی نظریه‌ها در باره‌ی رفتار عالم اولیه را می‌توان رد کرد.

تحول عالم در طفولیت
توماس شیفر، نظریه‌پرداز دانشگاه ایالتی‌ی کارولینای شمالی، می‌گوید که ارتباط‌دادن نتایج ال‌اچ‌سی به تکامل عالم در دوران طفولیت آن سرراست نیست: "تصویر اصلی اثبات شده است (یعنی این‌که پلاسمای کوارک و گلوئون وجود دارد)، در این باره که شاره‌ی کامل است نیز چیزهای جالب یاد گرفته‌ایم، اما هیچ‌کدام از اینها مستقیماً بر دینامیک عالم اولیه مثلاً بر هسته‌زایش در مه‌بانگ تأثیر ندارد."

استیو ویگدُور از بروک‌هِیوِن می‌گوید که از نتایج آلیس مسلماً رفتاری شبیه به مایعات با گران‌روی‌ی کم برمی‌آید اما هنوز زود است که ادعا شود تصویر مایع تقریباً کامل "تأیید" شده است: "پرسشی که اینک باید پاسخش را یافت این است که اندازه‌ی این گران‌روی‌ی برشی چه‌قدر ا‌ست – چه‌قدر به حد کوانتومی‌ی زیرین که در فرضیه‌ها مطرح شده است نزدیک هستیم؟ برای یافتن این پاسخ وقت زیادی صرف تحلیل داده‌های RHIC شده است و ال‌اچ‌سی هنوز به این مرحله هم نرسیده است"

دو آشکارگر اطلس و سی‌ام‌اس در سرن که همه‌ی ذرات را آشکار می‌کنند چشم‌اندازهای تازه‌ئی در باره‌ی حالت کوارک گلوئون به‌دست داده‌اند. در سمیناری که هفته‌ی پیش در سرن برگزار شد نمایندگان گروه‌های پژوهشی‌ی این دو آشکارگر از مشاهدات مستقیم "فروکوبش جت‌ها" گزارش دادند باریکه‌ی هم‌راستای هادرون‌هائی که تقریباً آناً از واپاشی‌ی کوارک‌ها و گلوئون‌ها حاصل می‌شوند در گذر از پلاسمای کوارک و گلوئون فروکوفته می‌شوند. ویگدور می‌گوید می‌توان گمان کرد فروکوبی‌ی جت‌ها در باره‌ی برهم‌کنش کوارک‌ها و گلوئون‌های پرانرژی آگاهی‌های جدید بدهد و به‌ هم‌بستگی‌های کوارک گلوئون که به شاره‌ئی با گران‌روی‌ی کم منجر می‌شود وضوح بیشتری ببخشد. اطلس نتایج خود را دوشنبه‌ی گذشته منتشر کرد (arXiv: 1011.6182) و انتظار می‌رود که سی‌ام‌اس نیز هنگامی که تحلیل داده‌های برخورد یون‌های سنگین کامل شود نتایجش را منتشر کند. در سمینار هفته‌ی پیش سرن، سخن‌گوی آلیس، یورگن شوکرافت گفت جست‌وجو برای پلاسمای کوارک گلوئون اساساً خاتمه یافته، کشفش اعلام خواهد شد،‌ و اندازه‌گیری‌ی خواصش تازه آغاز شده است.

پلاسمای کوارک-گلوئون در برخورد پروتون‌ها؟
داستان پلاسمای کوارک گلوئون در ال‌اچ‌سی پیچش تازه‌ئی یافته است. در ماه ژوئیه که کار اصلی‌ی ال‌اچ‌سی برخورددادن پروتون‌ها بود، کارگردانان آشکارگر سی‌ام‌اس در برخی پس‌ماندهای برخوردهای حاوی‌ی ذرات پرشمار، هم‌بستگی یافته‌اند یعنی زوج‌های ذرات در چنان زاویه‌هائی از محل برخورد دور شده‌اند که نشان می‌دهد پروتون‌ها در نقطه ی برخورد بر یک‌‌دیگر تأثیر گذاشته‌اند. در ماه سپتامبر اعضای گروه 3000نفری‌ی آزمایش سی‌ام‌اس اعلام کردند "اثری بالقوه جدید و جالب" مشاهده کرده‌اند که یادآور ویژگی ها ئی مشابه در آزمایش ها ی RHIC است (arXiv: 1009.4122v1)؛ در آن آزمایش ها این مشاهدات به معنی‌ی حضور ماده‌ی داغ و چگال تعبیرشده است.

مایکل تاننباؤم فیزیکدان RHIC می گوید "برخلاف کشف فروکوبش جت ها در ال‌اچ‌سی که شاهدی قوی بر تولید پلاسمای کوارک گلوئون است، یادآوربودن را نمی‌توان به معنای علمی به اندازه در آورد و ادعای کشف اثرهای تازه در هم بستگی‌ها ی دوذره ای در نتایج سی ام اس عجولانه و بی‌دقت است.  تاننباؤم در اظهارنظری در باره ی نتایج آزمایش سی‌ام‌اس (arXiv: 1010.0964v1) فهرستی از چند آزمون داده است که باید پیش از ادعای مشاهده‌ی پلاسمای کوارک گلوئون باید انجام بگیرد. این آزمون‌ها به جنبه‌ها‌ئی از ویژگی‌های برخورد یون‌های طلا در RHIC مربوط می‌شوند.

پی‌یر وان مَکلِن از دانشگاه آنت‌وِرپ و عضو آزمایش سی‌ام‌اس می‌گوید که گروه‌ها‌ی همکار در این آزمایش تنها آن‌چه را اندازه گرفته‌اند گزارش کرده‌اند و هشدار می‌دهد که با قلمرو تازه‌ی انرژی سروکار داریم: "به نظر می رسد شماری مدل وجود دارند که از پس توضیح کیفی‌ی هم‌بستگی‌ها برمی‌آیند اما چالش واقعی بازساختن دقیق اعدادی‌ست که در نتایج سی‌ام‌اس به دست آمده."

ظرافت موضوع
تعبیر برخوردهای ال‌اچ‌سی نیاز به ظرافت و باریک‌‌بینی دارد. کوارک‌ها بخش کوچکی از پروتون را می‌سازند و تقریباً همه‌ی جرم پروتون برخاسته از افت‌وخیزهای دریای گلوئون‌هاست که عمرشان در انرژی‌های برخورد در ال‌اچ‌سی آن قدر اتساع زمانی می‌یابد که می توان برخوردهای پروتون‌ها را به صورت برخورد پیکربندی‌های کاتوره‌ای‌ی "نقاط داغ" گلوئونی دید. تجربه‌گرها باید از انبوه جت‌ها و پس‌ماندهائی که در تلاطم برخورد حاصل می‌شود جزئیات فیزیک کوارک‌ها و گلوئون‌ها را که کرومودینامیک کوانتومی توصیف می‌کند بیرون بکشند و به هم ارتباط دهند. معاون هماهنگ‌کننده‌ی آزمایش سی‌ام‌اس گونتر دیسرتوری می‌گوید: " لبه‌ئی را که در نتایج سی‌ام‌اس دیده می‌شود هیچ‌یک از مدل‌های مونت‌کارلوی فعلی در QCD پیش‌بینی نکرده بودند، و برای کسانی که با برخورد یون‌های سنگین سروکار نداشته‌اند نتیجه‌ئی که به دست آمد کاملا غیرمنتظره بود."

به‌دنبال انتشار نتایج سی‌ام‌اس مقالات زیادی برای توضیح این هم‌بستگی‌ها منتشر شده است: چه این هم‌بستگی‌های دوذره‌ای برخاسته از چگاله‌ی شیشه‌گون رنگ باشد (arXiv: 1009.5295v2)، یا پلاسمای کوارک گلوئون، یا حالت چرخان (arXiv: 1009.5229v3) یا انفجاری (arXiv: 1009.4635v1) ازبندرسته‌ی کوارک و گلوئون، یا شاید درهم‌تافتگی‌ی کوانتومی‌ی گلوئودینامیکی، فیزیکدان‌ها برای آن‌که در نهایت بتوانند در جست‌وجوی ذرات جدید سیگنال را از پس‌زمینه‌ جدا کنند باید لبه‌ئی را که در نتایج مشاهده کرده‌اند توضیح دهند. باریکه‌ی ال‌اچ‌سی ممکن است تا فوریه دوباره راه نیافتد اما هنوز تعبیر داده‌های سال اول کار ال‌اچ‌سی به سرانجام نرسیده است.

ترجمه از؛ سپهــر

لینک مقاله اصلی

لینک مقاله در وبلاگ

چگونه اجزاي DNA در برابر آسيب ناشي از تابش فرابنفش مقاومت مي‌كنند؟

در پروژه‌اي كه با حمايت بنياد علوم اتريش انجام شد، گروهي از پژوهشگران به سرپرستي هانس ليخكا، شيميدان كوانتوم دانشگاه وين موفق شدند براي اولين بار به طور كامل فرآيندهاي فوق‌سريع ثبات نوري باز نوكلئوئيدي را رمزگشايي كنند. برنزه شدن تنها تاثير آفتاب بر پوست ما نيست. آفتاب باعث بروز فرآيندهايي مي‌شود كه مي‌توانند آسيب‌هاي جدي به سلامت وارد كنند. گروهي از پژوهشگران به سرپرستي هانس ليخكا، استاد موسسه شيمي نظري دانشگاه وين در اتريش به بررسي سازوكارهاي محافظي پرداختند كه طبيعت براي محافظت از خود در برابر اين تاثيرات مضر ابداع كرده است.

روش كار بسيار ساده و در عين حال پيچيده است. به محض آن‌كه نور فرابنفش باعث جهش الكترون‌ها به لايه‌اي با انرژي بالاتر مي‌شود، تخريب فوق‌سريع آنها را به حالت اوليه برمي‌گرداند. در اين حالت انرژي الكتروني تبديل به گرما مي‌شود. اين فرآيند در بازه زماني باورنكردني و بسيار كوتاهي در حدود يك كوادريليونيم ثانيه (15-10 ثانيه) اتفاق مي‌افتد.

شبيه سازي كامپيوتري خواص واكنش‌هاي DNA در برابر نور

گروه پژوهشگران هانس ليخكا (موسسه شيمي نظري دانشگاه وين) به همراه ماريو بارباتي (موسسه تحقيقاتي زغال سنگ ماكس پلانك در مالهيم‌/‌روهر آلمان) و با همكاري پژوهشگران آكادمي علوم چك در پراگ موفق شدند تصويري پويا و روشن از ثبات نوري باز نوكلئوتيدها با استفاده از روش‌هاي مبتكرانه شبيه‌سازي كامپيوتري به دست آورند.

آنها نشان دادند چگونه اجزاي DNA (نوكلئوتيدهايي كه عامل شكل‌گيري جفت‌هاي بنيادين در DNA و RNA هستند) از خود در برابر تجزيه تحت تابش فرابنفش محافظت مي‌كنند.

رويكردهاي نوين شيمي كوانتوم براي مطالعات فتوفيزيكي

ايده اصلي اين نوآوري در محاسبه دقيق تركيب نيروهاي الكتروني با نيروهاي هسته‌هاي اتم‌هاست. براي رسيدن به اين هدف، از روش‌هاي منحصر به ‌فرد شيمي كوانتوم از سراسر جهان كه در موسسه شيمي نظري دانشگاه وين گردآوري شده بودند، استفاده شد.

محاسبات حالت حركت مربوط به باز نوكلئوتيدها، نشان‌دهنده بازه زماني گسترده‌اي از رفتار ديناميكي در محدوده پيكوتريليونيم (12-10) تا فمتوكوادريليونيم (15-10) است. علاوه بر توضيح ديناميك باز نوكلئوئيدهاي DNA، از اين روش‌هاي نوين مي‌توان در تحقيقات مربوط به فرآيندهاي فتوفيزيكي DNA و نيز در زمينه فتوولتاييك (نور ولتاژي) استفاده كرد.

روش جديد درك بهتري از فرآيندهاي بنيادين انتقال انرژي جهش الكتروني و جداسازي بار الكتريكي براي توليد الكتريسيته به دست مي‌دهد.

خبرسازترین پدیده های فضایی و نجومی سال 2010

سال 2010 با کشف بسیاری از سیاره های فراخورشیدی، مشاهده بیگانه های فضایی، ابرنواخترها، پدیده های اختری، پرتاب راکتها، علوم مرتبط با کره ماه و سوالات متحول کننده درباره علم نجوم برای جهان علم سالی پر هیاهو و شلوغ به شمار می رود.

نشریه دیسکاوری به منظور انتخاب برترین و خبرسازترین خبرهایی که در سال رو به پایان میلادی در حوزه علم نجوم رخ داده است به خوانندگان خود روی آورده و 10 نمونه از خبرسازترین رویدادهای نجومی را بر اساس انتخاب خوانندگان خود به عنوان برترین و خبرسازترین رویدادهای نجومی سال 2010 معرفی کرده است:  

10- رویای اوباما برای آینده مطالعات فضایی ناسا: متوقف شدن پروژه "صورت فلکی" ناسا برای بازگشت دوباره انسان به کره ماه و تغییر جهت برنامه های فضایی ناسا به طور قطع یکی از بحث برانگیزترین رویدادهای فضایی و نجومی سال جاری بوده است. از زمانی که اوباما در بیانیه ماه فوریه خود برنامه پرتاب راکت آرس را متوقف و برنامه ساخت فضاپیمای اوریون را محدودتر کرد، بحثهای داغی در مجلس آمریکا بر سر این تصمیمات دولت آمریکا در گرفت.

در ماه آوریل طی سخنرانی اوباما در پایگاه فضایی کندی مسیر فعالیتهای علمی-فضایی ناسا برای همیشه تغییر کرد: "فضانوردان باید تا سال 2025 خود را به یک اخترواره برسانند، از ماه عبور کرده و در حدود سال 2030 به مریخ بروند" که این برنامه خبرهای خوبی را نیز برای پروازهای فضایی تجاری در پی داشت. اما در عین حال این برنامه ریزی های جدید برای منتقدان سیاستهای اوباما به هیچ وجه قابل هضم نبوده است.

 

9- سیستمهای ستاره ای ناشناخته شگفت انگیز: سال 2010 برای مطالعات سیاره های فراخورشیدی سالی بسیار پربار بوده است. در عین حال که در این سال بیش از صدها سیاره جدید بر مدار ستاره های جدید توسط رصدخانه های زمینی و فضایی ردیابی، مشاهده و مطالعه شدند، آشکار شد که انسان از تکنیکهایی با پیچیدگی هایی فزاینده برای مطالعه این پدیده ها برخوردار است.

اکنون با استفاده از همین شیوه های مطالعاتی در صورتی که بتوان با قطعیت جمله ای را درباره جهانهای بیگانه گفت، این است که این جهانها در عین حال که بیگانه اند، شباهتهای بسیار زیادی با سامانه خورشیدی زمین دارند.

 

8- موفقیت هایابوسا در نمونه برداری از یک اخترواره: یکی از الهام بخش ترین موفقیتهای فضایی سال 2010 بدون شک موفقیت ژاپنی ها و فضاپیمای هایابوسا در نمونه برداری از خاک اخترواره "ایتوکاوا" بوده است. این موفقیت در سال 2005 و به شکلی معجزه آسا رخ داد زیرا در سال 2003 هایابوسا در اثر برخورد یک پرتو خورشیدی دچار آسیب دیدگی شد و پس از آن با تلاش فراوان توانست پس از نمونه برداری از خاک ایتوکاوا مسیر خود را به سوی زمین کج کند.

تردیدهای زیادی درباره موفقیت این فضاپیما در نمونه برداری از خاک ایتوکاوا وجود داشت اما پس از بازگشت بی نظیر این فضاپیما به خانه اش زمین، محققان توانستند ذرات خاک را در کپسول نمونه های این فضاپیما کشف کنند. نمونه هایی که می توانند در درک بهتر از طبیعت سامانه خورشیدی بسیار تاثیرگذار باشند.

 

7- موفقیت شرکت "ویرجین گلکتیک" در پرواز اولین فضاپیمای تجاری: روند پیشرفت توریسم فضایی بسیار کند، اما در حال پیشرفت است. با وجود اینکه توریستهای فضایی تا کنون میلیونها دلار برای سفر به ایستگاه فضایی بین المللی خرج کرده اند، ویرجین گلکتیک برای قابل دسترس تر شدن سفرهای فضایی تلاشهای گسترده ای را آغاز کرده است.

به گفته این شرکت 200 هزار دلار برای خریداری یک بلیط برای سفر به فضا قیمتی کاملا قابل قبول به شمار می رود حتی اگر این سفر تنها پروازی زیر مداری باشد، با این همه آغاز خوبی برای توریسم فضایی به شمار می رود. در سال 2010 این شرکت توانست فضاپیمای خود موسوم به "شوالیه شب" را به صورت آزمایشی به پرواز درآورد و در عین حال ساخت اولین پایگاه فضایی در صحرای نیومکزیکو نیز آغاز شده است.

 

6- کشف شواهد آب مایع در قمر انسلادوس: کشف آب بر روی مریخ را فراموش کنید، این موضوع سال گذشته بود، موضوع داغ سال 2010 کشف آب در قمر انسلادوس سیاره زحل است. فضاپیمای کاسینی ناسا طی یکی از قابل تقدیرترین ماموریتهای خود به شگفت زده کردن زمینیان ادامه داده و تصاویر زیبایی را از سیستم زحلی به ثبت رساند.

 این فضاپیما از سال 2004 در مدار زحل در حرکت است و با عبور از کنار قمرهای این سیاره جزئیات ارزشمندی را از این سیاره مهم به ثبت رسانده است.

یکی از قابل توجه ترین کشفیات کاسینی در سفر زحلی اش در پرواز از نزدیکی به دست آمد که در نزدیکی قمر انسلادوس صورت گرفت. کاسینی به گونه ای با بو کشیدن مواد گازی شکلی که این قمر را احاطه کرده اند توانست مدارکی را مبنی بر وجود آب مایع در سطح این قمر ارائه کند و هر جا که آب باشد، احتمال شکل گیری حیات نیز وجود خواهد داشت. از این رو این کشف کاسینی محدوده احتمالات بشر را درباره جهانهایی که شانس وجود حیات در آنها وجود دارد را افزایش داد.

 

5- آیا در ماه آب وجود دارد؟ با وجود اینکه برنامه فوری برای بازگشت انسان به ماه وجود ندارد، ماموریتهای روباتیکی که از سوی کشورهای مختلف در اطراف این کره صورت می گیرد بسیار امیدوار کننده هستند. برای مثال مدارگرد اکتشافی ماه به چرخش به دور تنها قمر طبیعی زمین ادامه داده و اطلاعات زیادی را درباره مناظر بیگانه این کره در اختیار انسانها قرار می دهد.

یکی از دستاوردهای مهم این مدارگرد کشف مقادیر زیادی آب منجمد در اعماق حفره های تاریک ماه و در بیشتر بخشهای این کره بود حجم این آب به اندازه ای است که دانشمندان اکنون به راحتی درباره وجود چرخه آب در کره ماه با یکدیگر بحث می کنند. از سویی دیگر اطلاعات به دست آمده از ماهگرد چاندرایان هندوستان در سال 2010 نشان داد بیش از 600 میلیون گالن آب در 40 حفره در کره ماه وجود دارد. این مقدار آب با نیاز مصرف آب کل شهر سیاتل برای یک سال برابری می کند.

 

4- پرواز فالکن 9: شرکت تجاری Space X در سال 2010 به قدرت زیادی دست پیدا کرد و توانست علاوه بر ارائه مدل آزمایشی راکت فالکن 1، پرواز آزمایشی راکت فالکن 9 را نیز با موفقیت به پایان برساند.

اکنون با تایید دولت اوباما این شرکت یکی از معدود شرکتهایی است که برای تامین تجهیزات مورد نیاز ایستگاه فضایی بین المللی پس از بازنشسته شدن شاتلهای ناسا انتخاب شده است. این شرکت در ماه دسامبر اولین پرتاب موفقیت آمیز و بازگشت دوباره کپسول "دراگون" را به اجرا گذاشت، کپسولی که امید می رود روزی بتواند انسانها را به همراه خود به فضا ببرد. قدم بعدی کناره گرفتن این کپسول با ایستگاه فضایی است تا با این موفقیت حفره میان اکتشافات فضایی دولتی و خصوصی پر شود.

 

3- به دام افتادن ضد ماده: دانشمندان سازمان مطالعات اتمی اروپا، سرن توانستند برای اولین بار ضد ماده را به دام بیاندازند. اهمیت این موفقیت در این نکته است که بخشی از بنیادی ترین رازهای جهان هستی را می توان با کمک این ذرات درک کرده و به بسیاری از سوالات درباره تکامل جهان هستی و حیات پاسخ داد.

فرضیه ای که از ابتدا درباره ماده و ضد ماده و برابری مقادیر این دو در جهان وجود دارد، دچار نقصی کوچک است زیرا در صورتی که مقدار این دو در جهان برابر باشد، یکدیگر را نابود کرده و در این صورت ما نباید در جهان وجود داشته باشیم!

به دام انداختن ذرات ضد ماده هیدروژن در یکی از آزمایشهایی که در سرن با نام آلفا صورت گرفت به این معنی است که فیزیکدانان از این پس می توانند به درون ضد ماده رسوخ کرده و رفتارهای آن را مورد مطالعه قرار دهند. این ذرات ظاهری مشابه با ماده دارند اما عملکرد آنها کاملا متضاد ماده است.

 

2- سیاره های شبه زمینی فراوانتر از همیشه؟: سیاره های فراخورشیدی را می توان در هرجایی از کهکشانها یافت، اما بر اساس مطالعات متعددی که در سال 2010  صورت گرفته اند، اکثریت جهانهایی که در مدار دیگر ستاره ها در حرکتند، لزوما به زمین شباهتی ندارند. شاید در سال جاری عبارت سیاره شبه زمینی را زیاد شنیده باشید اما به گفته بسیاری از منتقدان این عبارت نمایش واقعیت گرایانه آنچه در اصل کشف شده نیست، در صورتی که سیاره کشف شده آبی رنگ با دمایی معتدل نباشد چطور می توان آن را سیاره ای شبه زمینی خواند؟

 

1- کشف سیاره شبه زمینی گیلیس 581g: قبل از سال 2010 نام گیلیس بیشتر شما را به یاد نام یک بازی جدید رایانه ای و یا یکی از نرم افزارهای جدید آی-فن می انداخت، اما اکنون این نام یکی از مشهورترین سامانه های ستاره ای در آنسوی سامانه خورشیدی است.

گیلیس 581 بسیار امیدوارکننده است، می تواند میزبان سیاره ای باشد که در آن شانس شکل گرفتن حیات وجود داشته باشد و سیاره گیلیس 581g همان سیاره ای است که در بخش قابل سکونت این سامانه ستاره ای می تواند حیات یا زمینه های شکل گرفتن حیات را در خود پنهان کرده باشد.

اما مانند هر داستان خوب دیگری، گره ای در این داستان وجود دارد، شاید هیچ گیلیس 581g وجود نداشته باشد! داستان کشف این سیاره در سال 2010 جنجال فراوانی به دنبال داشت و از این رو اکنون در رتبه اول برترینهای فضایی سال 2010 قرار گرفته است.

بزرگترين دستاوردهاي علمي ‌١٠ سال اخير به انتخاب «ساينس»

مجله علمي «ساينس» به روال سال‌هاي اخير در پايان سال 2010 به معرفي 10 دستاورد علمي بزرگ سال و 10 تفكر برتر دهه 2000 تا 2010 پرداخته است. نخستين «ماشين كوانتومي» جهان كه بر اساس قوانين حاكم بر دنياي زيراتمي عمل مي كند به عنوان بزرگترين دستاورد علمي سال شناخته شده است.  

ماشين كوانتومي كه توسط دانشمندان آمريكايي در دانشگاه كاليفرنيا ساخته شده از يك پره ريز فلزي تشكيل شده كه توسط چشم غير مسلح قابل مشاهده نيست و با ريتم كوانتومي مي رقصد. پس از اينكه اين پره در پايين‌ترين حالت ممكن انرژي سرد شد، محققان آن را وادار به ورود به يك حالت حركتي مكانيكي خالص كوانتومي كردند. اين مساله بدين معني است كه اين وسيله به روشي غير از روش‌هاي مرسوم دنياي «ماكرو» در مكانيك كلاسيك رفتار مي‌كند. براي مثال، اين وسيله مي‌تواند در يك زمان در دو حالت باشد كه به «موقعيت فوق‌العاده» موسوم است به اين ترتيب كه مي‌تواند هم‌زمان هم به طور كم و هم زياد بلرزد.

ماشين كوانتومي در صدر فهرست مهم‌ترين تحولات علمي سال 2010 قرار دارد كه توليد نخستين ژنوم مصنوعي، كشف توالي ژنوم انسان اوليه، ساخت ژل پيشگيري از HIV، توالي نويسي اگسوم‌ها(ژنهاي برخي بيماريهاي نادر)، شبيه سازيهاي مولکولي ديناميک حركت چرخشي پروتئين‌ها، شبيه سازي کوانتومي، پروژه هزار ژنوم، برنامه نويسي مجدد RNA و بازگردادن موش‌هاي صحرايي به آزمايشگاه‌هاي تحقيقاتي ديگر موفقيت‌هاي علمي درج شده در آن هستند.

ده تفكر برتر دهه

مجله «ساينس» امسال در كنار معرفي موفقيتهاي علمي برتر سال 2010 به انتخاب و معرفي 10 تفكر برتر دهه پرداخته، ايده‌هايي كه چهره علم را از زمان طلوع هزاره جديد تغيير دادند.

افزايش شناخت بشر در عرصه كيهان‌شناسي: در دهه اخير محققان يك دستورالعمل دقيق براي محتواي جهان كه از چهار درصد ماده معمولي،‌23 درصد ماده تاريك و 73 درصد انرژي تاريك تشكيل شده و همچنين دستورالعمل‌هايي براي تركيب اينها با يكديگر به دست آورده‌اند. اين پيشرفت‌ها، كيهان‌شناسي را به يك علم دقيق با يك نظريه استاندارد كه اكنون جايگاه بيشتري نسبت به ساير تصورات دارد تبديل كرده‌است.

متامتريال: فيزيكدانان به وسيله تركيب مواد با خواص نوري غيرمتعارف توانسته اند در روش‌هاي جديد براي هدايت و دستكاري نور پيشگام شده و لنزهايي بسازند كه با محدوديت‌هاي اساسي در تفكيك‌پذيري مبارزه مي‌كنند. آنها حتي شروع به ساخت شنل‌هايي مانند شنل نامرئي‌كننده هري‌پاتر كرده‌اند كه مي‌تواند شي زير آن را نامرئي كند.

ژنوم تاريك: دانشمندان دريافته‌اند كه ژن‌ها فقط 5/1 درصد كل ژنوم را تشكيل مي دهند و مابقي آن كه شامل آر.ان.اي هاي رمز گذاري و غير رمزگذاري هستند اهميتي مانند ژن‌ها دارند.

سيارات فراخورشيدي: در سال 2000 محققان فقط از 26 سياره در خارج از منظومه شمسي آگاهي داشتند. در سال 2010 اين تعداد به 502 سياره رسيد و اين روند همچنان ادامه دارد. ستاره‌شناسان اكنون انتظار دارند كه با دسترسي به فناوري‌هاي بهتر بتوانند سيارات شبيه به زمين بيشتري در كهكشان پيدا كنند.

بيوملكول‌هاي كهن: درك اين موضوع كه بيومولوكول‌هايي مانند دي.ان.اي و كلاژن قديمي مي‌توانند دهها هزار سال زنده بمانند و اطلاعات مهمي درمورد گياهان، حيوانات انسا‌هايي كه مدتي طولاني از مرگ آنها مي‌گذرد در اختيار محققان بگذارد، ‌دستاوردي عظيم در ديرين شناسي محسوب مي شود. تحليل‌گران اين ماشين زمان كوچك اكنون مي‌توانند سازگاري آناتوميكي را كه شواهد اسكلتي قادر به فراهم كردن آن نيستند مانند رنگ پرهاي دايناسور آشكار كنند.

آب در مريخ: نيمي از ماموريت‌هاي انجام شده در سياره مريخ شواهد روشني از وجود آب در گذشته چه در سطح يا درون اين سياره سرخ‌رنگ از طريق اصلاح شكل‌گيري صخره‌ها و احتمالا وجود زندگي در آن فراهم كرده‌اند. اين آب مريخي احتمالا در زمان شروع حيات در سطح در اين سياره وجود داشته اما امروزه هم به قدر كافي رطوبت در مريخ وجود دارد كه دانشمندان را به ادامه تلاش هايشان در تحقيق براي ميكروب‌هاي زنده اميدوار كند.

سلول‌هاي قابل برنامه‌ريزي مجدد: اخيرا محققان دريافته‌اند كه چگونه سلول‌هاي كاملا پيشرفته را به سلول‌هاي موسوم به قلب و نخاع دوباره برنامه ريزي كنند كه بر پتانسيل خود غالب شده و به هر سلولي در بدن تبديل شوند. اين تكنيك در حال حاضر براي ساخت سلول در بيماران مبتلا به بيماري‌هاي نادر استفاده مي‌شود اما در نهايت دانشمندان اميدوارند بتوانند سلول‌ها، بافت و اندام‌هاي جايگزين مشابه از نظر ژنتيكي را رشد دهند.

پروژه ميكروبيوم: يك تغيير اساسي در ديدگاه ما از ميكروب‌ها و ويروس‌ها كه در بدن انسان وجود دارند، محققان را به سوي مفهوم مايكروبيوم يا مجموعه ژنوم‌هاي ميزبان يا ساير مووجوداتي كه در آن زندگي مي‌كنند،‌ راهنمايي كرده‌است. از آنجايي‌كه 90 درصد سلول‌هاي بدن انسان در حقيقت ميكروبي هستند، دانشمندان در حال درك اين موضوع هستند كه چگونه ژن‌هاي ميكروبي بر ميزان انرژي كه بدن انسان از غذاها دريافت مي‌كند يا چگونه سيستم ايمني بدن در برابر عفونت‌ها پاسخ مي‌دهد، تاثير مي‌گذارند.

شناخت بهتر از التهاب: تا مدتي پيش، التهاب به عنوان يك اثر جانبي از ابزار شفادهنده محسوب مي شد كه به سلول‌هاي ايمني كمك مي‌كند آسيب بافتي را كه به دليل زخم يا عفونت به وجود آمده بود دوباره سازي كنند. اما امروزه محققان بر اين باورند كه التهاب همچنين مي‌تواند يك عامل محرك در پس بيماري‌هاي مزمن كه تقريبا باعث مرگ بسياري از افراد است از جمله سرطان،‌بيماري آلزايمر، تصلب شريان، ديابت و چاقي باشد.

تغييرات آب و هوا: محققان دريافته‌اند كه بسياري از پيش‌بيني‌هاي آنها در مورد تغيرات آب و هوا در دهه اخير درست از آب درآمده ‌است.

کشف شواهد وجود دنیاهای موازی با جهان ما

با کشف چهار الگوی دایروی در تابش زمینه کیهانی دانشمندان حدس می‌زنند این الگوها مربوط به محل برخورد دیگر جهان‌های موازی با دنیای ما باشد. تایید یا رد این فرضیه در گرو اطلاعات فضاپیمای پلانک است

در اوایل قرن بیستم، دانشمندان توانستند با خیره شدن به دوردست‌های عالم و مشاهده آن‌چه در حال وقوع است، نظریه‌ای برای نحوه شکل‌گیری جهان ارائه دهند. طبق این نظریه، همه چیز با یک انفجار بزرگ آغاز شد، انفجاری که بلافاصله با یک دوره کوتاه از انبساط فوق سریع که تورم خوانده می‌شود، همراه شد. شاید این سرآغاز همه چیز باشد، اما اخیرا گروهی از دانشمندان این فرضیه را مطرح کرده‌اند که شاید چیزی قبل از آن وجود داشته که شرایط اولیه را برای تولد جهان ما فراهم کرده است. 

به گزارش نیو ساینتیست، گروهی از محققان به رهبری استفان فینی در بررسی موضوع پیش مهبانگ، چهار الگوی دایره‌ای را در تابش زمینه کیهانی کشف کرده‌اند که وجود آنها از نظر آماری بسیار بعید است.

دانشمندان تصور می‌کنند که اینها نشانه‌هایی از کوفتگی دنیای ما هستند که حاصل برخورد آن با دنیاهای دیگر است. اگر این حدس درست باشد، این یافته نخستین مدرکی است که وجود دنیاهای دیگری به غیر از دنیای ما (دنیاهای موازی) را ثابت می‌کند.

این ایده که دنیاهای دیگری در آن بیرون وجود دارد چیز تازه‌ای نیست. دانشمندان قبلا این فرضیه را مطرح کرده‌اند که شاید ما در شرایطی چند دنیایی زندگی می‌کنیم که از بی‌نهایت دنیا تشکیل شده است. مفهوم چنددنیایی ریشه در مفهوم تورم ابدی دارد.

 

در این مفهوم، دوره تورمی که دنیای ما بلافاصله پس از مهبانگ آن را تجربه کرد، تنها یکی از بی‌شمار دوره‌های تورمی است که در قسمت‌های مختلف فضا اتفاق می‌افتد و هنوز هم ادامه دارد.

هم‌زمان با توقف تورم در بخشی از فضا، بخش دیگری از آن شاهد تورم خواهد بود. در این حالت دنیاهای جدید به طور پیوسته در یک گستره وسیع و رو به رشد فضا-زمان به وجود می‌آیند؛ همان‌طور که یک حباب پس از تولید شدن به سرعت فضای اطراف خود را با خصوصیات فیزیکی‌اش پر می‌کند.

تورم ابدی همان‌گونه که از نام آن نیز بر می‌آید، بی‌نهایت بار اتفاق می‌افتد و بی‌نهایت دنیا را به وجود می‌آورد که منجر به خلق چنددنیایی می‌شود.

این دنیاهای بی‌نهایت گاهی اوقات دنیاهای حبابی نامیده می‌شوند، ولو این‌که شکل نامنظمی داشته باشند. دنیاهای حبابی می‌توانند به اطراف حرکت کنند و گه‌گاه با سایر دنیاهای حبابی برخورد می‌کنند. اگر دنیای ما با یک دنیای حبابی دیگر برخورد کند، این تصادف انفجارهای عظیمی از انرژی به دنبال خواهد داشت.

اگر این برخورد قبل از اتمام تورم دنیای ما رخ داده باشد، ممکن است از خود ردی به جای گذاشته باشد که تا امروز نیز قابل ردیابی باشد. این همان چیزی است که فینی و همکارانش کشف کرده‌اند.

 آن‌طور که فینی و همکارانش در مقاله‌شان توضیح می‌دهند، چنین برخوردی دوام تورم را در ناحیه برخورد تغییر می‌دهد که باعث ایجاد ناهمسانی‌هایی در کیهان‌شناسی داخل حباب می‌شود که در تابش زمینه کیهانی خود را نشان می‌دهد. اگر تورم بیش از مقدار معمول طول بکشد، چگالی ماده در ناحیه برخورد کمتر از نواحی اطراف خواهد بود.

 این مساله خود را به شکل نقطه‌ای سرد در تابش زمینه کیهانی نشان می‌دهد. به طور عکس، دوره کوتاه‌تری از تورم منجر به ایجاد یک نقطه گرم در این تابش می‌شود. این دانشمندان با استفاده از الگوریتمی که به دنبال برخوردهای حبابی با مشخصات خاصی در تابش زمینه کیهانی می‌گشت، توانستند چهار الگوی دایره‌ای را کشف کنند.

 با این وجود، این محققان تایید می‌کنند که یافتن طیف وسیعی از مشخصات غیرمحتمل آماری در یک مجموعه داده بزرگ مانند تابش زمینه کیهانی کار ساده‌ای است. در نتیجه برای تایید این ادعا، تحقیقات بیشتری لازم است. موضوعی که با استفاده از داده‌های ماهواره پلانک که تفکیک‌پذیری آن سه برابر بهتر از ماهواره دبلیومپ ناسا -که نقشه فعلی تابش زمینه کیهانی توسط آن تهیه شده- است، در کوتاه مدت قابل دستیابی است.

اگر داده‌های آتی وجود یک برخورد حبابی را تایید کنند، باعث تقویت نظریه‌های دیگر مانند نظریه ریسمان می‌شود که مستلزم وجود تعداد بی‌شماری دنیا با مشخصات متفاوت هستند. چنین کشفی منجر به ایجاد یک بینش عمیق نه فقط نسبت به دنیای خودمان، بلکه نسبت به تمام دنیاهای چندگانه ماورای آن خواهد شد.

آیا یلدا واقعا بلندترین شب سال است؟

ساعت 3:08 چهارشنبه 1 دی به وقت ایران، خورشید به پایین‌ترین نقطه از آسمان خواهد رسید و نیم‌کره شمالی، طولانی‌ترین شب خود را در حالی سپری می‌کند که نیم‌کره جنوبی شاهد طولانی‌ترین روز سال خواهد بود.

 

دلایل نجومی شب یلدا:

محور دوران وضعی زمین نسبت به صفحه دورانش به دور خورشید کج است، یعنی آنکه محور دوران زمین بر صفحه گردش زمین به دور خورشید عمود نیست بلکه از حالت قائم به اندازه 23.5 درجه انحراف دارد و در همان حالی‌که زمین به دور خودش می‌چرخد، به دور خورشید نیز گردش می‌کند.

برای ما که بر روی زمین قرار داریم، این‌طور به نظر می‌رسد که خورشید در حرکتی سالیانه در آسمان جابه‌جا می‌شود. به مسیر حرکت ظاهری خورشید در زمینه آسمان در مدت یک سال خورشیدی، دایرة‌البروج گفته می‌شود. ناظر زمینی این‌طور تصور می‌کند که خورشید روی دایره‌البروج مسیری را از بین صورت‌های فلکی مختلف طی می‌کند.

 در واقع حرکت خورشید در دایرة‌البروج ناشی از حرکت سالیانه زمین به دور خورشید است. مشابه این پدیده در حرکت روزانه زمین نیز اتفاق می‌افتد و به دلیل حرکت غرب به شرق زمین، به نظر می‌رسد که خورشید و ستارگان در طی شبانه‌روز از شرق به غرب جابه‌جا می‌شوند.

از آن‌جایی‌که صفحه چرخش مدار زمین حول خورشید بر استوای زمین منطبق نیست و با آن زاویه‌ای حدود 23.5 درجه می‌سازد، استوای سماوی که امتداد استوای زمین در فضا است نیز با دایرة‌البروج هم‌صفحه نیست و زاویه 5/23 درجه می‌سازد. برای ما که بر روی زمین زندگی می‌کنیم، همین زاویه عامل پدید آمدن فصول است.

استوای سماوی و دایرة‌البروج یکدیگر را در دو نقطه قطع می‌کنند که به آنها نقاط اعتدالین گفته می‌شود. در روز اول بهار که اعتدال بهاری است، خورشید دقیقاً در شرق طلوع می‌کند؛ اما هر چه به انتهای فصل بهار نزدیک می‌شویم، فاصله خورشید از استوای سماوی بیشتر می‌شود و نه تنها طول روز (فاصله بین طلوع تا غروب خورشید) بیشتر می‌شود، که محل طلوع خورشید کمی به سمت شمال تغییر می‌کند. هرچه عرض جغرافیایی بیشتر باشد، این جابجایی نیز بیشتر است.

این رویداد در اول تیرماه که انقلاب تابستانی است، به اوج می‌رسد و نه‌تنها طول روز به بیشترین مقدار خود در نیم‌کره شمالی می‌رسد، که خورشید از شمال‌شرقی‌ترین حالت ممکن طلوع می‌کند و در شمال‌غربی‌ترین حالت ممکن غروب می‌کند.

پس از آن، خورشید آرام‌آرام به استوای سماوی نزدیک‌تر می‌شود تا در اول مهرماه به اعتدال پاییزی برسد و روی استوای سماوی قرار بگیرد. اول مهر هم مانند اول فروردین، خورشید دقیقا از شرق طلوع می‌کند، دقیقا در غرب غروب می‌کند و طول روز هم 12 ساعت است. 

پس از اعتدال پاییزی، خورشید به جنوب استوای سماوی می‌رود و برای ساکنین نیمکره شمالی، روزها کوتاه‌تر می‌شود. بنابراین خورشید مدت کمتری در آسمان قرار دارد.

محل طلوع خورشید هر روز بیشتر به سمت جنوب منحرف می‌شود و طول روز کاهش مییابد. این وضعیت در اول دی ماه که انقلاب زمستانی است، به اوج خود می‌رسد: خورشید از جنوب‌شرقی‌ترین حالت ممکن طلوع می‌کند، در جنوب‌غربی‌ترین حالت ممکن غروب می‌کند و طول روز هم به کمترین مقدار خود می‌رسد.

در ظهر اول دی، ارتفاع خورشید در آسمان به کمترین مقدار خود می‌رسد که این مقدار در شهر تهران به 30.5 درجه است و در دیگر شهرهای ایران می‌توان مقدارش را از رابطه «عرض‌جغرافیایی - 66.5» بدست آورد.

در چنین شرایطی، زمین کمترین مقدار نور و گرما را از خورشید دریافت می‌کند و این بهترین مناسبت برای آغاز زمستان در نیمکره شمالی است.

هم‌چنین از آن‌جا که خورشید کوتاه‌ترین مسیر ممکن را بر فراز افق طی می‌کند، دقیقاً در شب انقلاب زمستانی یعنی آخرین شب پاییز که ایرانیان از چند هزار سال پیش آن را می شناختند و شب یلدا نام نهادند، طول شب (فاصله غروب امروز تا طلوع خورشید در روز بعد) به بیشترین مقدار خود می‌رسد.

طول شب یلدا در مناطق مختلف کره زمین متفاوت است. انقلاب زمستانی امسال در ساعت 3:08 بامداد اول دی‌ماه اتفاق خواهد افتاد. در تهران این مقدار حدود 14 ساعت و 17 دقیقه است و هر چه به شهرهای شمالی (با عرض جغرافیایی بالاتر) برویم، مقدار آن افزایش می‌یابد.

 در ایران بیشترین طول شب یلدا در شمال غرب و شهرهایی مانند ماکو در آذربایجان غربی و پارس‌آباد (در شمال استان اردبیل) با 14 ساعت و 39 دقیقه اتفاق می‌افتد.

طبیعی است شهرهای شمالی کره زمین بخصوص در اسکاندیناوی مانند هلسینکی و استکهلم با شب‌های طولانی‌تر از 18 ساعت، شب یلدای طولانی‌تری را سپری خواهند کرد. در مقابل، هرچه به استوا نزدیک‌تر شویم، طول شب یلدا کوتاه‌تر می‌شود تا جایی‌که در خود استوا، این مقدار به 12 ساعت می‌رسد. استوا، تنها جایی از زمین است که طول شب و روز در هر زمان از سال برابر 12 ساعت است.

اگر از استوا به نیم‌کره جنوبی برویم، اوضاع دقیقا برعکس می‌شود. اول دی در نیم‌کره شمالی که مقارن با انقلاب زمستانی است، در نیم‌کره جنوبی متناظر با اول تابستان و طولانی‌ترین روز سال است. هرچه عرض جغرافیایی جنوبی‌تری بگیرید، طول روز طولانی‌تر خواهد شد، تا جایی‌که از عرض جغرافیایی 66.5 درجه جنوبی تا قطب جنوب، خورشید تمام شبانه‌روز را بر فراز افق سپری خواهد کرد و روز طولانی قطبی اتفاق خواهد افتاد.

در ادامه مطالب مختصری درباره این جشن ایران باستان بخوانید.

ادامه نوشته