تم إنشاء مادة فائقة السرعة على متن محطة الفضاء الدولية

مصدر الإطار: Youtube

تعرف: تبدأ أروع التجارب الفضائية في محطة الفضاء الدولية.


أنتج مختبر ناسا للذرة الباردة (CAL) ، المثبت على متن المحطة في مايو الماضي ، تعليقًا للذرات فائقة البرودة ، والمعروفة أيضًا بمكثفات Bose-Einstein (BEC). يكون الوزن عند درجة حرارة جزء من درجة أعلى من الصفر المطلق ، وهي النقطة التي تتوقف فيها نظريًا الحركة الحرارية للجسيمات في أي مادة. في السابق ، كانت هذه التجارب تُجرى فقط على الأرض.


على متن محطة الفضاء الدولية ، ستنتج محطة وكالة ناسا الباردة للذرات ذرات فائقة البرودة لإجراء تجارب في مجال فيزياء الكم تحت ظروف الجاذبية الصغرى. يتم تبريد الذرات إلى واحد من عشرة مليارات جزء من درجة أعلى من الصفر المطلق (في المتوسط ​​، إنها أكثر برودة بعشرة مليارات مرة من المساحة العميقة). يعتقد الفيزيائيون أن مراقبة السلوك غير العادي للجسيمات في درجات الحرارة المنخفضة هذه سيعطي إجابات على الأسئلة حول البنية الأساسية للمادة.

CAL هو تثبيت متعدد المستخدمين مصمم لدراسة الأسس الأساسية للعالم باستخدام ذرات فائقة البرودة في الجاذبية الصغرى. الذرات "الباردة" هي جسيمات طويلة العمر (حسب المعايير الكمية) يمكن التحكم فيها بدقة عالية ؛ وبالتالي ، فهي مثالية للنظر في الظواهر الكمومية والتطبيق المحتمل لتقنيات الكم.

توضع هذه الأداة في المدار لأول مرة ؛ من المتوقع أن تصبح أداة قوية لإجراء قياسات فائقة الدقة لمجال الجاذبية ، ودراسات للمشاكل الطويلة الأمد في فيزياء الكم وفهم طبيعة موجة المادة.


تظهر سلسلة من الرسوم البيانية التغيير في كثافة التعليق الذري مع انخفاض درجة الحرارة (من اليسار إلى اليمين) حتى الاقتراب من الصفر المطلق. إن ظهور ذروة حادة في المراحل الأخيرة هو دليل على تكوين مكثف بوز-آينشتاين - الحالة الخامسة للمادة - التي تظهر عند درجات حرارة حوالي 130 نانوكيلفين. المصدر: NASA / JPL-Caltech

يقول روبرت تومبسون ، كبير المتخصصين في مشروع CAL والفيزيائي في مختبر الدفع النفاث (NPL) في باسادينا بولاية كاليفورنيا: "إن فرصة إجراء تجربة مع BEC على متن محطة الفضاء الدولية هي حلم تحقق أخيرًا". رحلة طويلة وصعبة ، ولكن كل الجهد المبذول فيها سيؤتي ثماره مئة ضعف ، لأن هذا التثبيت يفتح أوسع مجال لنا لتجربته. "

في الأسبوع الماضي ، أكد العلماء الذين يعملون مع CAL إنتاج المكثفات من ذرات الروبيديوم ، مع درجة حرارة حوالي 100 nanokelvin. وهي أبرد من متوسط ​​درجة الحرارة في الفضاء (حوالي ثلاث درجات كلفن ، أو -270 درجة مئوية). ومع ذلك ، ليس هذا هو الحد الأقصى - علاوة على ذلك ، من المتوقع أن تحصل على درجات حرارة أقل ، حتى بالمقارنة مع تلك التي تم تحقيقها في مختبرات الأرض.

في درجات الحرارة هذه ، تبدأ الذرات في التصرف بشكل مختلف عن أي مادة أخرى نعرفها ونلاحظها. يسمى BEC "الحالة الخامسة للمادة" ، وبالتالي فصله عن المواد الصلبة والسائلة والغازية والبلازما ؛ لأن ذرات التكثيف تتصرف مثل الموجات أكثر من الجسيمات. لا يمكن ملاحظة الطبيعة الموجية للمادة إلا في ظواهر على نطاق صغير للغاية ، ومع ذلك ، فإن BEC يجعلها أكثر وضوحًا - وبالتالي يسهل تحليلها. ذرات الموجات فوق الصوتية في حالة ذات طاقة ضئيلة وتتخذ نفس حالة الموجة ، وتصبح غير مميزة عن بعضها البعض ؛ تبدأ السحابة الذرية في التصرف كأنها "superat" وحيد.

منع الحمل الصعب

يتكون CAL من وحدتين قياسيتين سيتم تركيبهما على متن محطة الفضاء الدولية. تسمى الكتلة الكبيرة مازحًا بـ "الثلاجة ذات الأربع غرف" ، بينما تسمى الصغيرة "الغرفة الواحدة" ؛ كبيرة وتحتوي على كل الحشوة التي تنتج ذرات فائقة البرودة. المصدر: NASA / JPL-Caltech / Tyler Winn

يشرح روبرت شوتويل ، كبير المهندسين في قسم الفيزياء والفلك في JPL ، الذي أشرف على جميع أعمال التركيب منذ فبراير 2017: "إنها أداة معقدة للغاية" ، وعادة ما تتطلب هذه الحيل كومة من المعدات بحجم الغرفة ، وتحتاج إلى إشراف مباشر مستمر ، وأنشأنا جهازًا لا يزيد حجمه عن ثلاجة محمولة ويمكننا التحكم به من الأرض. "كان علينا كسر الكثير من الحواجز وبذل الكثير من الجهد لجعل قطعة اللغز هذه تنتهي في محطة الفضاء اليوم."

تم الحصول على أول مكثف Bose-Einstein في عام 1995 ، على الرغم من أن الظاهرة نفسها قد تنبأ بها الفيزيائيان Chatyatranat Bose و Albert Einstein قبل 71 عامًا. في عام 2001 ، شارك Eric Cornell و Karl Wyman و Wolfgank Ketterle جائزة نوبل في الفيزياء لإنشاء ودراسة خصائص BEC في المختبر. في العام المقبل ، ستجري خمس مجموعات علمية ، بما في ذلك تلك التي يقودها كورنيل وكيترل ، تجارب مع الذرات الباردة. منذ منتصف التسعينات ، أجرى العلماء حول العالم المئات من هذه التجارب. معظمهم على الأرض ، لكن العديد منهم في رحلات فضائية قصيرة - على متن صواريخ جيوفيزيائية. وأخيرًا ، حصل العلم على طريقة لإجراء تجارب مكثفة على أساس يومي لفترة طويلة من الوقت على متن محطة الفضاء الدولية.

يتم إنتاج BEC في "المصائد الذرية" غير الملموسة التي تم إنشاؤها بواسطة المجالات المغناطيسية أو أشعة الليزر. عندما يتم إيقاف المصيدة في مجال الجاذبية الأرضية ، فإن ذرات الموجات فوق الصوتية تبدد على الفور تقريبًا بجاذبية ، وبالتالي من الممكن مراقبتها فقط لجزء من الثانية. ومع ذلك ، في ظل ظروف الجاذبية الصغرى ، يوجد تعليق من خمس إلى عشر ثوانٍ. في المجموع ، يتراكم العلماء ما يصل إلى ست ساعات من المراقبة يوميًا.

بمجرد انخفاض الضغط داخل المصيدة ، تنخفض درجة الحرارة بشكل طبيعي ؛ كلما طالت سحابة الذرات في المصيدة ، كلما أصبحت أكثر برودة. أولئك الذين عملوا مع علبة رذاذ الطلاء على دراية بهذه الظاهرة - يمكن أن يبرد الرذاذ فقط بسبب انخفاض الضغط. في الجاذبية الصغرى ، ينخفض ​​ضغط المكثفات إلى قيم صغيرة للغاية ، مما يقلل بدوره من درجة الحرارة إلى قيم لا يمكن الوصول إليها بواسطة الأدوات الأرضية. يومًا بعد يوم ، يعمل التركيب دون أي تدخل من طاقم المحطة.


هذا هو المكان الذي ينشأ فيه مكثف بوز-آينشتاين داخل CAL. المصدر: NASA / JPL-Caltech / Tyler Winn

بعد تلقي BEC من الروبيديوم ، سيستخدم فريق البحث ذرات اثنين من نظائر البوتاسيوم المختلفة. في الواقع ، يتم حاليًا تشغيل التكليف في CAL ، لذلك هناك سلسلة طويلة من الاختبارات من أجل معرفة مدى عمل الجهاز بشكل جيد في ظل ظروف الجاذبية الصغرى.

يقول كمال أودريهيري ، رئيس بعثة CAL في مختبر الدفع النفاث: "لن ينتظر العلماء من جميع أنحاء العالم الحصول على إذن للعمل على تركيبنا ، وبما أنه من المخطط إجراء عدد كبير من التجارب المتنوعة ، فسيتعين علينا تكييف مجموعة من الطرق لتبريد الذرات والتعامل معها مع الجاذبية الصغرى ، قبل مما سنضع هذا الجهاز في أيدي المتخصصين الضيقين للعمل الجاد. " تبدأ مرحلة البحث في الجدول في أوائل سبتمبر من هذا العام وستستمر ثلاث سنوات على الأقل.


فريق CAL للفيزياء الذرية وعلماء JPL David Avelin و Ethan Eliott و Jason Williams (من اليسار إلى اليمين) ؛ تم التقاط الصورة في مركز عمليات بعثات مدار الأرض في JPL ، حيث سيتم التحكم في ترخيص وصول العميل وتكوينه عن بُعد. تظهر صورة الشاشة في الخلفية التثبيت مباشرة على متن محطة الفضاء الدولية. لعب عمل Avelin و Eliot و Williams دورًا حاسمًا في الحصول على أول مكثف Bose-Einstein في العالم في المدار. المصدر: NASA / JPL-Caltech

ذهب تركيب الذرات الباردة إلى الفضاء في 21 مايو 2018 على السفينة المدارية Cygnus من Wallops Cosmodrome ، فرجينيا. تم تطوير وبناء CAL في JPL ، وتم تقسيم تمويل المشروع بين برنامج محطة الفضاء الدولية في مركز ليندون جونسون للفضاء ، هيوستن ، ومديرية أبحاث وتطبيقات علوم الحياة والعلوم الفيزيائية (SLPSRA) لاستكشاف الفضاء وإدارة عمليات بعثة ناسا ، في مقر وكالة ناسا ، واشنطن.

لمزيد من المعلومات ، يمكنك زيارة موقع المشروع .