NASA vytváří na Mezinárodní vesmírné stanici jednu z nejpodivnějších forem hmoty

Foto: NASA/JPL-Caltech

Úvod do výzkumu NASA

Autor původního článku: redakce

NASA vylepšila svůj Cold Atom Lab, který nyní funguje na palubě Mezinárodní vesmírné stanice, a poskytuje vědcům nový mocný nástroj pro zkoumání základní povahy hmoty a rozvoj budoucích kvantových technologií. Díky mikrogravitaci na stanici umožňuje zařízení experimenty, které na Zemi nelze provést.

Proč je to důležité

Výzkum kvantové fyziky, který NASA provádí na Mezinárodní vesmírné stanici, má potenciál přinést zásadní objevy o vesmíru a zároveň otevřít cestu k vývoji nových technologií. Tyto technologie by mohly mít významný dopad na vědecké poznání a praktické aplikace jak ve vesmíru, tak na Zemi. Kvantová fyzika je klíčová pro pochopení chování hmoty a energie na extrémně malých škálách, což může vést k revolučním změnám v oblastech jako je komunikace, navigace a měření času. V Evropě a České republice může tento výzkum podpořit technologický rozvoj a inovace.

Studium hmoty blízko absolutní nuly

Cold Atom Lab, který je velký asi jako malá lednička a je řízen na dálku ze Země, ochlazuje atomy na teploty pod minus 459 stupňů Fahrenheita (minus 237 stupňů Celsia). Při teplotách těsně nad absolutní nulou se atomy mohou spojit do neobvyklého kvantového stavu známého jako Bose-Einsteinův kondenzát (BEC), což je pátý stav hmoty vedle pevných látek, kapalin, plynů a plazmy. Podmínky mikrogravitace v nízké oběžné dráze Země umožňují, aby tyto vlny hmoty byly větší než na Zemi.

„Při nejnižších teplotách se hmota chová dramaticky odlišně od čehokoli, co jsme zažili,“ řekl Jason Williams, projektový vědec Cold Atom Lab v NASA’s Jet Propulsion Laboratory v jižní Kalifornii, která zařízení postavila. „Vlnová povaha hmoty dominuje a ultrachladná hmota se může chovat způsoby, které nejsou jen neočekávané, ale také umožňují extrémně přesná měření času, gravitace a pohybu. Laboratoř má spoustu nástrojů – zejména s tímto posledním upgradem – které nám umožňují zkoumat povahu vesmíru.“

Jak funguje vylepšený Cold Atom Lab

V centru zařízení je sofistikovaná sbírka přístrojů známá jako vědecký modul. Nově vylepšená verze tohoto modulu dorazila na vesmírnou stanici 11. dubna na palubě mise Commercial Resupply Services, což rozšiřuje rozsah experimentů, které vědci mohou provádět. Během experimentu se proužky rubidia nebo draselného kovu zahřívají na teploty až 750 °F (400 °C), čímž se uvnitř vakuové komory vytváří plyn. Vědci pak používají pečlivě naladěné lasery k odstranění energie z atomů. Jak atomy ztrácejí energii, zpomalují a dramaticky se ochlazují.

Po fázi laserového chlazení magnetická pole zachytí atomy a udrží je uzavřené. Další techniky chlazení dále snižují jejich energii, čímž se atomový oblak přibližuje k úplnému zastavení a umožňuje vědcům maximalizovat dobu, po kterou jej lze studovat v mikrogravitaci.

Výhody kvantových experimentů ve vesmíru

Vědci mohou studovat ultrachladné plyny v laboratořích na Zemi, ale vesmír nabízí důležité výhody. V mikrogravitaci lze kvantové plyny pozorovat po delší dobu a ochladit je na ještě nižší teploty. Prostředí s nízkou gravitací také umožňuje, aby se větší kvantové vlny formovaly a interagovaly s gravitací po delší dobu. Aby byly tyto experimenty na stanici možné, inženýři zkomprimovali to, co by normálně bylo laboratoří atomové fyziky velikosti místnosti plné laserů a optického vybavení, do kompaktního systému, který se vejde do experimentálního stojanu stanice.

„Jako první projekt, který vytváří Bose-Einsteinovy kondenzáty na oběžné dráze, ukazujeme, že můžeme kvantovou technologii spolehlivě provozovat ve vesmíru,“ řekl Ethan Elliott, zástupce projektového vědce Cold Atom Lab v JPL. „V minulém století došlo k kvantové revoluci, která vedla k laserům, mobilním telefonům a MRI pro lékařské zobrazování. Provádíme kvantovou 2.0 – přímou manipulaci s velkými kvantovými stavy – a doufáme v podobné zisky v kvantové technologii tím, že tuto vědu rozvíjíme na oběžné dráze.“

Nový upgrade rozšiřuje možnosti kvantového výzkumu

Poslední vylepšení je čtvrtou hlavní aktualizací od instalace Cold Atom Lab na Mezinárodní vesmírné stanici v roce 2018. Mezi nejvýznamnější zlepšení patří přepracovaná magnetická past, která může měnit tvar kvantových plynových oblaků. To dává vědcům nové příležitosti k prozkoumání vlastností a chování ultrachladných atomů. Inženýři také představili přepracované kovové zdroje atomů, které generují plynové oblaky používané v experimentech.

„Je to nejbližší věc, kterou máme ke kontrole hranice kvantového světa,“ řekl Kamal Oudrhiri, projektový manažer Cold Atom Lab v JPL, s odkazem na tyto nízké teploty. „Tento nový upgrade posouvá tuto hranici ještě dále.“ Oudrhiri dodal, že nový hardware „demonstruje schopnost NASA udržet vedení USA v kvantových technologiích založených ve vesmíru a zároveň zralé budoucí kvantové přístroje, jako jsou interferometry vln hmoty pro základní fyzikální mise, polohování, navigaci, měření času a gravitace Země, Měsíce a dále.“

Pokrok v kvantové technologii ve vesmíru

Cold Atom Lab je řízen Caltechem v Pasadeně, zatímco NASA’s Jet Propulsion Laboratory navrhla, postavila a provozuje zařízení. Projekt je sponzorován divizí biologických a fyzikálních věd v rámci NASA’s Science Mission Directorate ve Washingtonu. Divize podporuje vědecké objevy využitím jedinečných podmínek vesmíru k provádění experimentů, které nelze provést na Zemi. Studováním biologických a fyzikálních procesů v extrémních prostředích získávají vědci znalosti, které mohou pomoci lidem cestovat dále a zůstat ve vesmíru déle, a zároveň přinášet výhody pro život na Zemi.

Mohlo by vás zajímat

• Po 20 letech vědci konečně zmenšili výkonný laser na čip
• NASA dokázala, že kosmické lodě mohou přepínat mezi různými satelitními sítěmi
• Teleskop Fermi od NASA odhaluje zdroj energie za monstrózními supernovami

Původní článek: NASA’s Cold Atom Lab is creating one of the weirdest forms of matter in space