Екзотичната материя, направена в космоса, би могла да засили търсенето на гравитационни вълни

Бозе-Айнщайн кондензат

Кондензатите на Бозе-Айнщайн, направени в космоса, биха могли да осигурят нов инструмент за откриване на гравитационни вълни. За експеримента с интерферометрия с материя-вълна в микрогравитация (MAIUS-1), екип от германски изследователи използва този атомен чип за създаване на кондензати Бозе-Айнщайн в космоса. (Изображение: DLR)



Изстрелвайки в космоса малък чип, пълен с атоми и го взривявайки с лазери, германските учени за първи път създадоха екзотично материално състояние, известно като кондензат на Бозе-Айнщайн в космоса. Техните открития могат да поставят основите за нов начин за търсене на гравитационни вълни или вълни в пространството-време.



Експериментът „Интерферометрия с материя-вълна в микрогравитация“ (MAIUS-1), изстрелян на ракета със зондиране от космическия център Esrange в Швеция на 23 януари 2017 г. Не само мисията успя да създаде първия космически кондензат Бозе-Айнщайн, но изследователите също са направили повече от 100 експеримента с тази проба по време на 6-минутния космически полет. Резултатите от проучването бяха публикувано днес (17 октомври) в списанието Nature .

ДА СЕ Бозе-Айнщайн кондензат (BEC) е материално състояние, което се образува, когато облак от атоми се охлади до температури, приближаващи се до абсолютната нула, или 0 Kelvin, което е равно на минус 459,67 градуса по Фаренхайт (минус 273,15 градуса по Целзий). Когато атомите се охладят достатъчно, те престават да се държат като отделни атоми и се събират заедно, докато заемат едно и също възможно най-ниско енергийно състояние. С други думи, атомите стават невъзможни за разграничаване и бучката започва да се държи като един атом. [Инфографика: Как действат гравитационните вълни]



Това явление е резултат от a квантова механика принцип, известен като двойственост вълна-частица, който казва, че светлината и материята проявяват свойства както на частици, така и на вълни. Дължината на вълната на частицата е пряко свързана с нейната температура. Частиците с по -висока енергия показват по -къси дължини на вълните, докато тези с ниска енергия имат по -дълги дължини на вълните. Охлаждайки група атоми, докато всички те заемат едно и също нискоенергийно състояние, дължините на вълните им се простират в целия атомен облак и стават идентични.

За да направят атомите възможно най -студени, учените използват метод, наречен „ лазерно охлаждане . ' Когато лазерен лъч взривява фотон (или частица светлина) в атом, фотонът се абсорбира от атома и намалява инерцията му в процеса. Това е така, защото тези фотони имат свой собствен импулс за начало и когато атом поглъща фотон, той също поглъща импулса на фотона. При челен сблъсък това кара атома да загуби инерция или да се забави. Колкото по -бавно се движат атомите, толкова по -ниска ще бъде температурата.

По време на мисията MAIUS, проба от рубидиеви атоми беше охладена, за да се създаде първата BEC в космоса. Но може би дори по -вълнуващи от този исторически първи бяха резултатите от експериментите, които изследователите направиха с BEC, които показаха, че може да е възможно да се измери гравитационните вълни в космоса с по -голяма прецизност, отколкото се прави на Земята.



Инженерите с експеримента MAIUS-1 натоварват полезен товар върху сондажната ракета.

Инженерите с експеримента MAIUS-1 натоварват полезен товар върху сондажната ракета.(Изображение: DLR)

Откриването на гравитационни вълни в наземната лазерна интерферометрова гравитационно-вълнова обсерватория (LIGO) в Луизиана спечели трима физици Нобелова награда през 2017 г. BECs в космоса биха могли да помогнат за засилване на търсенето на гравитационни вълни. С космически измервания „по принцип бихме могли да създадем детектор на гравитационни вълни, използвайки атомна интерферометрия, която е чувствителна към други честоти, различни от LIGO“, Майк Лахман, изследовател от университета Лайбниц в Хановер, Германия и един от водещите изследователи за експеримента MAIUS, каза пред demokratija.eu.



Използвайки устройство, известно като атомен интерферометър, изследователите използвали лазерни лъчи, за да разделят вълните на материята на две, след което рекомбинирали вълните по начин, който създава интерференционен модел. Когато атомите са в „свободно падане“ или среда с микрогравитация, измерванията „са чувствителни към инерционни сили, като гравитационното поле“, каза Лахман. 'Чувствителността се мащабира квадратично с времето, което BEC прекарва в интерферометъра', каза Лахман, добавяйки, че когато правите този вид експеримент на Земята 'винаги имате проблема, че BEC се разбива на земята след кратко време ... В космоса вие имат условия на микрогравитация, така че по принцип може да се наблюдава колкото искате. “

Това ново изследване „проправя пътя за квантовите сензори в космоса, които биха могли да се използват за провеждане на експерименти, които са невъзможни на Земята“, пише в изследването Лианг Лю, изследовател от Китайската академия на науките в Шанхай, който не е участвал в изследването. придружаващ Статия за Nature News & Views . „Примерите включват откриване на гравитационни вълни в честотен диапазон, който обикновено не е достъпен, усещане на възможни свръхлеки частици от тъмна материя и наблюдение на фини ефекти, свързани с общата теория на относителността на Айнщайн. Кой знае какви загадки на Вселената могат да бъдат разкрити от космически квантови сензори.

Преди учените да могат да извършат този експеримент в космоса, те първо трябваше да намерят начин да миниатюризират научното оборудване, необходимо за производството на BEC. „Обикновено такова устройство запълва цяла лабораторна стая“, казва Стефан Зайдел, съавтор от университета в Хановер, се казва в изявление . „Проектирането на система, толкова компактна и здрава, че да може да лети на ракета със звучене, беше голямо предизвикателство за учените и инженерите.“ Звучащата ракета е с височина само около 8,2 фута (2,5 метра) и е с диаметър 20 инча (0,5 м).

Откакто стартира мисията MAIUS, подобен експеримент, известен като Лаборатория на студения атом, е изпратен на Международната космическа станция. Лабораторията Cold Atom, която стартира на космическата станция през май, оттогава създаде BEC чрез охлаждане на облак от рубидиеви атоми, подобно на мисията MAIUS.

Рубидий е „един от най -лесните атомни видове за охлаждане на облака до кондензация“, каза Лахман, „но разбира се е възможно да се направи това с други видове. За следващите две MAIUS-мисии (MAIUS-2 и -3) ще добавим калий-41 като втори вид. ' Тези мисии ще стартират някъде през 2018 и 2019 г.

Изпратете имейл на Hanneke Weitering на hweitering@demokratija.eu или я последвайте @hannekescience . Следвайте ни в Twitter @Spacedotcom и нататък Facebook . Оригинална статия на demokratija.eu .