| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Bosenovy
Petr Kulhánek
Každý jistě slyšel o novách, supernovách a nebo hypernovách. Zpravidla jde o velkolepé divadlo odehrávající se v závěrečných fázích hvězdného vývoje, při kterém se z různých fyzikálních příčin do okolí hvězdy rozmetá její materiál. Před deseti lety ale jen málokdo tušil, že obdobný jev bude možné uskutečnit na laboratorním stole. Explodující bosonový kondenzátBEC – Boseho-Einsteinův kondenzát (Bose Einstein Condensate, BEC), představuje stav hmoty, ve kterém jsou všechny částice v jednom jediném kvantovém stavu. Vlnové funkce se vzájemně překrývají a při fázovém přechodu vznikne společná vlnová funkce. Soustava částic se začne chovat jako jediná „superčástice“. Boseova-Einsteinova kondenzace vzniká u bosonů, které se mohou nacházet všechny v nejnižším energetickém stavu. Na rozdíl od běžné kondenzace, jako je tomu u fázových přechodů plynů na pevné látky, jde o kondenzaci v prostoru hybností. Přechod od klasického stavu ke kvantovému je náhlý, až dramatický. Kvantové chování se projevuje při teplotě nižší, než je tzv. teplota degenerace. neboli bosenova se stal nedílnou součástí výzkumu posledních let.
|
Nova – hvězda malé svítivosti, která prudce zvýší jas během několika hodin či dnů až o 4 řády. Důvodem je překotná termonukleární reakce na povrchu způsobená materiálem bohatým na vodík, který přetéká z průvodce. Svítivost v průběhu několika měsíců klesá na původní hodnotu. Zbytky odhozené obálky se nazývají planetární mlhoviny. Po explozi novy zůstává na původním místě podstatná část hvězdy. Rekurentní novou nazýváme hvězdu, jejíž záblesky se nepravidelně opakují v průběhu řádově desítek let. Supernova – rozmetání podstatné části hvězdy, při kterém vznikne extrémně jasný objekt, jehož svítívost se o více než 4 řády zvýší. Minimálně 10 % hmotnosti původní hvězdy se přemění na energii exploze. Svítivost posléze klesá v průběhu týdnů či měsíců. K tomuto konci vedou dvě možné cesty: 1) jedná se o velmi hmotnou hvězdu, která ve svém jádře vyčerpala zásoby paliva a začala se hroutit pod silou své vlastní gravitace na neutronovou hvězdu, nebo černou díru; 2) jedná se o bílého trpaslíka, který nahromadil materiál od svého hvězdného průvodce, dosáhl Chandrasekharovy meze a prodělal objemovou termonukleární explozi. Hypernova – zhroucení extrémně hmotné hvězdy (tzv. hyperobra) přímo na černou díru, doprovázené zábleskem gama a mohutnou explozí, která je ještě výraznější než u supernovy. Svítivost objektu je srovnatelná s celou galaxií. Nejvážnějším kandidátem na hypernovu v našem okolí je v budoucnosti hyperobří hvězda Éta Carinae z naší Galaxie. |
První bosenovy
Podle statistického chování dělíme částice na dvě skupiny a to fermionyFermiony – částice, které mají poločíselný spin, vlnová funkce je antisymetrická, splňují Pauliho vylučovací princip a podléhají Fermiho–Diracovu statistickému rozdělení. Patří mezi ně všechny leptony, kvarky a baryony – například elektron, neutrino, proton a neutron. Při nízkých teplotách fermiony obsazují stavy postupně, až po tzv. Fermiho mez. a bosonyBosony – částice, které mají celočíselný spin, symetrickou vlnovou funkci, nesplňují Pauliho vylučovací princip a podléhají Boseho-Einsteinově statistickému rozdělení. Například jsou to všechny skalární i vektorové mezony, fotony a gluony. Při nízkých teplotách se bosony mohou hromadit v základním stavu.. Fermiony jsou částice, které sdílejí stejný kvantový stav velmi neochotně, splňují tzv. Pauliho vylučovací princip, tj. dva fermiony nemohou být ve stejném kvantovém stavu. Typickým fermionem je například elektron a výsledkem jeho „nesnášenlivosti“ je bohatství atomárních obalů. Naopak bosony se se chovají jako "snášenlivé" částice, protože jich může být v jednom kvantovém stavu libovolný počet. Při velmi nízkých teplotách má každý boson ze systému tendenci zaujmout nejnižší energetický stav. Vzniká tzv. Boseho-Einsteinův kondenzát, ve kterém mají všechny bosony stejnou vlnovou funkci, V tomto podivném stavu jsou superponovány jeden boson přes druhý, vzájemně nerozlišitelné a tvoří jeden obří superatom. První bosonový kondenzát složený z atomů byl vytvořen v roce 1995. Příprava se podařila Ericu Cornellovi a Carlu Wiemanovi z JILAJILA – Joint Institute for Laboratory Astrophysics, americká laboratoř založená v roce 1962. Je společným pracovištěm Národního úřadu pro standardy a technologie NIST a Univerzity v Coloradu (v Boulderu). Výzkum se zabývá ultrachladnými atomy a kvantovou fyzikou, nanofyzikou, biofyzikou, laserovou technikou a astrofyzikou. Laboratoře se nacházejí na úpatí Skalistých hor a jsou součástí kampusu Univerzity v Coloradu. Z JILA pochází 6 nositelů Nobelových cen. a Univerzity v Coloradu, kteří počátkem roku 1995 použili ke svému pokusu atomy rubidiaRubidium – prvek ze skupiny alkalických kovů, vyznačuje se velkou reaktivitou. Rubidium je měkký (asi jako vosk), lehký a stříbrolesklý kov, který lze krájet nožem. Na rozdíl od předchozích alkalických kovů je těžší než voda. Velmi dobře vede elektrický proud a teplo. Rubidium bylo objeveno roku 1861 německým chemikem Robertem W. Bunsenem a německým fyzikem Gustavem R. Kirchhoffem. Rb-87 ochlazené metodou laserového ochlazováníLaserové ochlazování – technika využívající k ochlazování atomů laserového světla s vlnovou délkou nepatrně nižší než je charakteristický elektronový přechod v atomu. Toto „podladění“ má za následek, ža atomy absorbují větší množství fotonů, pokud se pohybují směrem ke zdroji, než pokud se pohybují od zdroje. Při interakci s fotonem atom ztrácí odpovídající hybnost ve směru zdroje světla. Při následném vyzáření fotonu sice hybnost opět získá, ale v náhodném směru. Zpravidla se používá šest laserů ve směru a proti směru tří souřadnicových os. Ať se atom vydá kamkoli, vždy proti němu bude svítit laser se správně posunutou frekvencí. Mnohonásobným opakováním lze shluk atomů ochladit na nanokelvinové teploty. V roce 1997 byla za tento objev udělena Stevenovi Chuovi, Claudeovi Cohen-Tannoudjimu a Williamovi Philipsovi Nobelova cena za fyziku. až na teplotu 180 nK. Při této teplotě se po dobu asi 15 sekund vytvořil BECBEC – Boseho-Einsteinův kondenzát (Bose Einstein Condensate, BEC), představuje stav hmoty, ve kterém jsou všechny částice v jednom jediném kvantovém stavu. Vlnové funkce se vzájemně překrývají a při fázovém přechodu vznikne společná vlnová funkce. Soustava částic se začne chovat jako jediná „superčástice“. Boseova-Einsteinova kondenzace vzniká u bosonů, které se mohou nacházet všechny v nejnižším energetickém stavu. Na rozdíl od běžné kondenzace, jako je tomu u fázových přechodů plynů na pevné látky, jde o kondenzaci v prostoru hybností. Přechod od klasického stavu ke kvantovému je náhlý, až dramatický. Kvantové chování se projevuje při teplotě nižší, než je tzv. teplota degenerace., který byl složen z přibližně 2 000 atomů. Za tuto práci obdrželi Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2001.
V roce 2001 utvořili v JILAJILA – Joint Institute for Laboratory Astrophysics, americká laboratoř založená v roce 1962. Je společným pracovištěm Národního úřadu pro standardy a technologie NIST a Univerzity v Coloradu (v Boulderu). Výzkum se zabývá ultrachladnými atomy a kvantovou fyzikou, nanofyzikou, biofyzikou, laserovou technikou a astrofyzikou. Laboratoře se nacházejí na úpatí Skalistých hor a jsou součástí kampusu Univerzity v Coloradu. Z JILA pochází 6 nositelů Nobelových cen. BECBEC – Boseho-Einsteinův kondenzát (Bose Einstein Condensate, BEC), představuje stav hmoty, ve kterém jsou všechny částice v jednom jediném kvantovém stavu. Vlnové funkce se vzájemně překrývají a při fázovém přechodu vznikne společná vlnová funkce. Soustava částic se začne chovat jako jediná „superčástice“. Boseova-Einsteinova kondenzace vzniká u bosonů, které se mohou nacházet všechny v nejnižším energetickém stavu. Na rozdíl od běžné kondenzace, jako je tomu u fázových přechodů plynů na pevné látky, jde o kondenzaci v prostoru hybností. Přechod od klasického stavu ke kvantovému je náhlý, až dramatický. Kvantové chování se projevuje při teplotě nižší, než je tzv. teplota degenerace. z atomů rubidia Rb-85. Změnou magnetického pole, ve kterém je BEC uzavřen, bylo možné měnit charakter vlnové funkce vzájemné interakce od odpudivé po přitažlivou. BEC byl ochlazen až na pouhé 3 nK, na zatím nejnižší dosaženou teplotu. Pokud bylo magnetické pole nastaveno tak, aby interakce byla odpudivá, BEC se rozpínal přesně podle teorie. Pokud ale magnetické pole navodilo přitažlivou interakci, došlo k očekávané implozi BEC následované prudkou neočekávanou explozí, která trvala několik tisícin sekundy. V centru exploze zůstal malý zbytek chladného kondenzátu. Přibližně polovina původních atomů kondenzátu zmizela a nebyla nalezena ani v pozůstatku ani v explodujícím plynu kolem. Celý jev se silně podobá miniaturní supernově (kolaps, exploze, chladný zbytek) a proto byl nazván bosenova. Podle údajů ve Wikipedii sehrála při pojmenování roli i podobnost slova s brazilským hudebním stylem bossa nova.
Bosenova utvořená z 10 000 atomů Rb-85. V expandující obálce je 1 500
atomů.
Teplota vzorku byla 200 nK. Implodující fáze není zobrazena. Zdroj: JILA.
Nesférické bosenovy
Další průlom ve výzkumu bosenov nastal letošního roku, kdy německý tým ze Stuttgartské univerzity vedený Tilmanem Pfauem zkoumal bosenovy z BECBEC – Boseho-Einsteinův kondenzát (Bose Einstein Condensate, BEC), představuje stav hmoty, ve kterém jsou všechny částice v jednom jediném kvantovém stavu. Vlnové funkce se vzájemně překrývají a při fázovém přechodu vznikne společná vlnová funkce. Soustava částic se začne chovat jako jediná „superčástice“. Boseova-Einsteinova kondenzace vzniká u bosonů, které se mohou nacházet všechny v nejnižším energetickém stavu. Na rozdíl od běžné kondenzace, jako je tomu u fázových přechodů plynů na pevné látky, jde o kondenzaci v prostoru hybností. Přechod od klasického stavu ke kvantovému je náhlý, až dramatický. Kvantové chování se projevuje při teplotě nižší, než je tzv. teplota degenerace. kondenzátu atomů chrómuChróm – Chromium, světle bílý, lesklý, velmi tvrdý a zároveň křehký kov. Používá se v metalurgii při výrobě legovaných ocelí a dalších slitin, tenká vrstva chromu chrání povrch kovových předmětů před korozí a zvyšuje jejich tvrdost. Byl objeven roku 1797 Louisem Nicolasem Vauquelinem. Cr-52. V tomto kondenzátu mají atomy silný magnetický dipólový moment a dochází zde k dipól-dipólové interakci (DDI) dlouhého dosahu. Tým studoval závislost na magnetickém poli i na tvaru magnetické pasti udržující BECBEC – Boseho-Einsteinův kondenzát (Bose Einstein Condensate, BEC), představuje stav hmoty, ve kterém jsou všechny částice v jednom jediném kvantovém stavu. Vlnové funkce se vzájemně překrývají a při fázovém přechodu vznikne společná vlnová funkce. Soustava částic se začne chovat jako jediná „superčástice“. Boseova-Einsteinova kondenzace vzniká u bosonů, které se mohou nacházet všechny v nejnižším energetickém stavu. Na rozdíl od běžné kondenzace, jako je tomu u fázových přechodů plynů na pevné látky, jde o kondenzaci v prostoru hybností. Přechod od klasického stavu ke kvantovému je náhlý, až dramatický. Kvantové chování se projevuje při teplotě nižší, než je tzv. teplota degenerace. kondenzát. Za některých experimentálních podmínek došlo k interakci trojic atomů (nikoli k typické párové interakci), která výrazně ovlivnila systém. Již fáze kolapsu bosenovy by podle numerických simulací měla být nesférická a měly by se vytvořit dva vírové prstence. Ty ale dosud nebyly experimentálně pozorovány. Následující exploze má jetelovitý tvar s preferovanými směry odhozené obálky, které svědčí o DDIDDI – dipól-dipólová interakce. interakci. Z této fáze byly pořízeny fotografie, které dobře souhlasí s numerickými simulacemi.
Numerická simulace imploze (kolapsu) bosenovy při DDI interakci. Nalevo je třírozměrný obraz vzniklých dvou prstenců, napravo řez s rozložením rychlostního pole při implozi (červená barva značí vyšší rychlost). Rozměr oblasti je pouhých 2,5 μm (jde o implozi!). Zdroj: Stuttgart University, Physical Review Letters.
Numerická simulace nesférické imploze bosenovy s DDI interakcí a počátku exploze. Nejprve se vytvoří doutníkovitý útvar a poté vzniknou dva prstence. Experimentálně není zatím možné fázi imploze ověřit. Zdroj: Stuttgart University, Physical Review Letters.
Skutečné záběry (nahoře) a numerická simulace (dole) nesférické exploze bosenovy s DDI interakcí. Zdroj: Stuttgart University, Physical Review Letters.
Výzkum bosenov může přispět nejenom ke znalosti chování látky za extrémně nízkých teplot, k pochopení procesů probíhajících v Bose-Einsteinově kondenzátuBEC – Boseho-Einsteinův kondenzát (Bose Einstein Condensate, BEC), představuje stav hmoty, ve kterém jsou všechny částice v jednom jediném kvantovém stavu. Vlnové funkce se vzájemně překrývají a při fázovém přechodu vznikne společná vlnová funkce. Soustava částic se začne chovat jako jediná „superčástice“. Boseova-Einsteinova kondenzace vzniká u bosonů, které se mohou nacházet všechny v nejnižším energetickém stavu. Na rozdíl od běžné kondenzace, jako je tomu u fázových přechodů plynů na pevné látky, jde o kondenzaci v prostoru hybností. Přechod od klasického stavu ke kvantovému je náhlý, až dramatický. Kvantové chování se projevuje při teplotě nižší, než je tzv. teplota degenerace., ale i k porozumění exploze supernovSupernova – rozmetání podstatné části hvězdy, při kterém vznikne extrémně jasný objekt, jehož svítívost se o více než 4 řády zvýší. Minimálně 10 % hmotnosti původní hvězdy se přemění na energii exploze. Svítivost posléze klesá v průběhu týdnů či měsíců. K tomuto konci vedou dvě možné cesty: 1) jedná se o velmi hmotnou hvězdu, která ve svém jádře vyčerpala zásoby paliva a začala se hroutit pod silou své vlastní gravitace na neutronovou hvězdu, nebo černou díru; 2) jedná se o bílého trpaslíka, který nahromadil materiál od svého hvězdného průvodce, dosáhl Chandrasekharovy meze a prodělal objemovou termonukleární explozi. na mnohem větších měřítkách. Oba mechanizmy si jsou velmi blízké.
Klip týdne: Bosenova
Bosenova. Atomární Boseho-Einsteinův kondenzát je tvořen mnoha ochlazenými atomy (bosony) v základním stavu, které mají společnou vlnovou funkci a chovají se koherentně jako makroskopický celek. Magnetickým polem lze navodit přitažlivou interakci, která způsobí kolaps tohoto shluku atomů. Následuje prudká exploze obálky plynu, v centru zůstane malý chladný zbytek. Celý proces připomíná miniaturní supernovu (kolaps, exploze, chladný zbytek), a proto byl nazván bosenova. Experimenty tohoto druhu se provádějí v komplexu laboratoří JILA v USA od roku 2001, oba dva hlavní protagonisté týmu (Eric Cornell a Carl Wieman) jsou nositeli Nobelovy ceny za fyziku pro rok 2001 za přípravu atomárního Bose-Einsteinova kondenzátu v roce 1995. V roce 2008 se podařilo vytvořit i nesférické bosenovy způsobené dipól-dipólovou interakcí. Animace je poskládána ze snímků z více experimentů, na počátku bylo cca 10 000 atomů. Zdroj: JILA. (gif, 1 MB)
Odkazy
NIST News: Implosion and explosion of a Bose-Einstein condensate "Bosenova"; 2001
H. Johnston: Cold atoms explode like cloverleafs; Physics World, 2008
