المواد الغريبة المصنوعة في الفضاء يمكن أن تعزز البحث عن موجات الجاذبية

مكثف بوز-آينشتاين

يمكن أن توفر مكثفات بوز-آينشتاين المصنوعة في الفضاء أداة جديدة للكشف عن موجات الجاذبية. بالنسبة لتجربة قياس تداخل الموجة المادية في تجربة الجاذبية الصغرى (MAIUS-1) ، استخدم فريق من الباحثين الألمان شريحة الذرة هذه لإنشاء مكثفات بوز-آينشتاين في الفضاء. (رصيد الصورة: DLR)



من خلال إطلاق شريحة صغيرة مليئة بالذرات في الفضاء وتفجيرها بالليزر ، ابتكر العلماء الألمان لأول مرة حالة غريبة من المادة تُعرف باسم مكثف بوز-آينشتاين في الفضاء. يمكن للنتائج التي توصلوا إليها أن تضع الأساس لطريقة جديدة للبحث عن موجات الجاذبية ، أو التموجات في الزمكان.



تم إطلاق تجربة قياس تداخل الموجة المادية في الجاذبية الصغرى (MAIUS-1) على صاروخ سبر من مركز الفضاء Esrange في السويد في 23 يناير 2017. لم تنجح المهمة فقط في إنشاء أول مكثف بوز-آينشتاين الفضائي ، لكن الباحثين أجروا أيضًا أكثر من 100 تجربة على هذه العينة خلال رحلة الفضاء التي استغرقت 6 دقائق. كانت نتائج الدراسة نُشر اليوم (17 أكتوبر) في مجلة Nature .

إلى مكثف بوز-آينشتاين (BEC) هي حالة من المادة تتشكل عندما يتم تبريد سحابة من الذرات إلى درجات حرارة تقترب من الصفر المطلق ، أو 0 كلفن ، وهو ما يساوي 459.67 درجة فهرنهايت تحت الصفر (ناقص 273.15 درجة مئوية). عندما تصبح الذرات باردة بدرجة كافية ، فإنها تتوقف عن التصرف مثل الذرات الفردية وتتجمع معًا بينما تحتل نفس حالة الطاقة الممكنة الأدنى. بمعنى آخر ، يصبح من المستحيل التمييز بين الذرات ، ويبدأ التكتل في التصرف مثل ذرة واحدة. [معلومات رسومية: كيف تعمل موجات الجاذبية]



هذه الظاهرة هي نتيجة أ ميكانيكا الكم يُعرف المبدأ باسم ازدواجية الموجة والجسيم ، والذي ينص على أن الضوء والمادة يظهران خصائص كل من الجسيمات والموجات. يرتبط الطول الموجي للجسيم ارتباطًا مباشرًا بدرجة حرارته. تظهر الجسيمات ذات الطاقات الأعلى أطوال موجية أقصر ، بينما تلك ذات الطاقات المنخفضة لها أطوال موجية أطول. من خلال تبريد مجموعة من الذرات حتى تشغل جميعها نفس حالة الطاقة المنخفضة ، تمتد أطوالها الموجية عبر السحابة الذرية بأكملها وتصبح متطابقة.

لجعل الذرات باردة قدر الإمكان ، يستخدم العلماء طريقة تسمى ' التبريد بالليزر '. عندما ينفجر شعاع الليزر فوتونًا (أو جسيمًا من الضوء) على ذرة ، يتم امتصاص الفوتون بواسطة الذرة ويقلل من زخمه في هذه العملية. هذا لأن هذه الفوتونات لها زخمها الخاص لتبدأ بها ، وعندما تمتص الذرة فوتونًا ، فإنها تمتص أيضًا زخم الفوتون. في حالة حدوث تصادم وجهاً لوجه ، يؤدي هذا إلى فقدان الذرة للزخم أو إبطاء سرعتها. كلما تحركت الذرات بشكل أبطأ ، كلما انخفضت درجة الحرارة.

خلال مهمة MAIUS ، تم تبريد عينة من ذرات الروبيديوم لإنشاء أول BEC في الفضاء. ولكن ربما كانت نتائج التجارب التي أجراها الباحثون مع BEC ، والتي أظهرت أنه قد يكون من الممكن قياس موجات الجاذبية في الفضاء بدقة أكبر مما يحدث على الأرض ، أكثر إثارة من هذه التجربة التاريخية الأولى.



قام المهندسون باستخدام حمولات الحمولة التجريبية MAIUS-1 على صاروخ السبر.

قام المهندسون باستخدام حمولات الحمولة التجريبية MAIUS-1 على صاروخ السبر.(رصيد الصورة: DLR)

حصل اكتشاف موجات الجاذبية في مرصد مقياس التداخل الليزري لموجات الجاذبية الأرضية (LIGO) في لويزيانا على جائزة نوبل لثلاثة فيزيائيين في عام 2017. يمكن أن تساعد BECs في الفضاء على تعزيز البحث عن موجات الجاذبية. من خلال القياسات الفضائية ، `` يمكننا من حيث المبدأ إنشاء كاشف لموجات الجاذبية باستخدام مقياس التداخل الذري الذي يكون حساسًا للترددات الأخرى غير LIGO ، '' مايك لاخمان ، الباحث في جامعة لايبنيز في هانوفر ، ألمانيا ، وأحد الباحثين الرئيسيين لتجربة MAIUS ، أخبر ProfoundSpace.org.



باستخدام جهاز يعرف باسم مقياس التداخل الذري ، استخدم الباحثون أشعة الليزر لتقسيم موجات المادة إلى موجتين ، ثم أعادوا تجميع الموجات بطريقة تخلق نمط تداخل. قال لاكمان إنه عندما تكون الذرات في 'السقوط الحر' أو بيئة الجاذبية الصغرى ، فإن القياسات 'تكون حساسة لقوى القصور الذاتي ، مثل مجال الجاذبية'. قال لاكمان: 'إن الحساسية تتدرج تربيعيًا مع الوقت الذي يقضيه BEC في مقياس التداخل' ، مضيفًا أنه عند إجراء هذا النوع من التجارب على الأرض ، فإنك دائمًا ما تواجه مشكلة تحطم BEC على الأرض بعد وقت قصير ... تتمتع بظروف الجاذبية الصغرى ، لذلك يمكن من حيث المبدأ ملاحظتها طالما أردت ذلك.

كتب ليانج ليو ، الباحث في الأكاديمية الصينية للعلوم في شنغهاي والذي لم يشارك في الدراسة ، أن هذا البحث الجديد `` يمهد الطريق لأجهزة الاستشعار الكمومية في الفضاء التي يمكن استخدامها لإجراء تجارب غير ممكنة على الأرض ''. مرافق مقالة Nature News & Views . تتضمن الأمثلة اكتشاف موجات الجاذبية في نطاق تردد لا يمكن الوصول إليه عادةً ، واستشعار جسيمات المادة المظلمة الخفيفة للغاية المحتملة ومراقبة التأثيرات الدقيقة المرتبطة بنظرية النسبية العامة لأينشتاين. من يدري ما هي أسرار الكون التي يمكن الكشف عنها بواسطة أجهزة الاستشعار الكمومية المحمولة في الفضاء.

قبل أن يتمكن العلماء من إجراء هذه التجربة في الفضاء ، كان عليهم أولاً إيجاد طريقة لتصغير المعدات العلمية اللازمة لإنتاج BECs. يقول ستيفان سيدل المؤلف المشارك في جامعة هانوفر: قال في بيان . لقد كان تصميم نظام مضغوط وقوي بحيث يمكنه الطيران على صاروخ سبر تحديًا كبيرًا للعلماء والمهندسين. يبلغ ارتفاع صاروخ السبر حوالي 8.2 قدم (2.5 متر) ويبلغ قطره 20 بوصة (0.5 متر).

منذ إطلاق مهمة MAIUS ، تم إرسال تجربة مماثلة تعرف باسم مختبر الذرة الباردة إلى محطة الفضاء الدولية. منذ ذلك الحين ، أنشأ مختبر الذرة الباردة ، الذي انطلق إلى المحطة الفضائية في مايو ، BECs عن طريق تبريد سحابة من ذرات الروبيديوم ، مثل مهمة MAIUS.

روبيديوم قال لاكمان 'أحد أسهل الأنواع الذرية التي تهدئ السحابة حتى تتكاثف' ، لكن من الممكن بالطبع القيام بذلك مع الأنواع الأخرى. بالنسبة لبعثتي MAIUS التاليتين (MAIUS-2 و -3) سنضيف البوتاسيوم -41 كنوع ثانٍ. ستطلق هذه البعثات في وقت ما في 2018 و 2019.

أرسل بريدًا إلكترونيًا إلى Hanneke Weitering على hweitering@guesswhozoo.com أو تابعها تضمين التغريدة . تابعنا على تويتر تضمين التغريدة و على موقع التواصل الاجتماعي الفيسبوك . المقالة الأصلية بتاريخ موقع guesswhozoo.com .