Substância ultracoldida criada a bordo da ISS

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Saiba: o mais incrível dos experimentos espaciais começa na ISS.


O Laboratório de Átomo Frio da NASA (CAL), instalado a bordo da estação em maio, produziu uma suspensão de átomos ultrafrios, também conhecidos como condensados ​​de Bose-Einstein (BEC). O PESO está a uma temperatura uma fração de grau acima do zero absoluto, o ponto no qual, teoricamente, o movimento térmico das partículas para em qualquer substância. Anteriormente, esses experimentos eram realizados apenas na Terra.


A bordo da ISS, a usina de átomo frio da NASA gerará átomos ultracoldos para a realização de experimentos no campo da física quântica em condições de microgravidade. Os átomos são resfriados a um décimo de bilionésimo de grau acima do zero absoluto (em média, é dez bilhões de vezes mais frio que no espaço profundo). Os físicos acreditam que observar o comportamento incomum de partículas a temperaturas tão baixas dará respostas a perguntas sobre a estrutura fundamental da matéria.

CAL é uma instalação multiusuário projetada para estudar os fundamentos básicos do mundo usando átomos ultracold em microgravidade. Átomos "frios" são partículas de vida longa (por padrões quânticos) que podem ser controladas com alta precisão; portanto, são ideais para considerar fenômenos quânticos e a aplicação potencial de tecnologias quânticas.

Esse instrumento é colocado em órbita pela primeira vez; Espera-se que se torne uma ferramenta poderosa para medições ultra-precisas do campo gravitacional, estudos dos problemas de longa data da física quântica e compreensão da natureza ondulatória da matéria.


Uma série de gráficos mostra a mudança na densidade da suspensão atômica com a diminuição da temperatura (da esquerda para a direita) até a aproximação do zero absoluto. O aparecimento de um pico acentuado nos últimos estágios é evidência da formação de um condensado de Bose-Einstein - o quinto estado da matéria - que aparece a temperaturas em torno de 130 nanokelvin. Fonte: NASA / JPL-Caltech

“A oportunidade de realizar um experimento com o BEC a bordo da ISS é um sonho que finalmente se tornou realidade”, diz Robert Thompson, especialista principal do projeto CAL e físico do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA (JPL) em Pasadena, Califórnia. uma jornada longa e difícil, mas todo o esforço envidado valerá cem vezes, já que esta instalação abre o campo mais amplo para que possamos experimentar ".

Na semana passada, cientistas trabalhando com CAL confirmaram a produção de condensado a partir de átomos de rubídio, com uma temperatura de cerca de 100 nanokelvin; é mais frio que a temperatura média no espaço (cerca de três Kelvin, ou -270 graus Celsius). No entanto, esse não é o limite - além disso, espera-se obter temperaturas ainda mais baixas, mesmo em comparação com as obtidas em laboratórios terrestres.

A essas temperaturas, os átomos começam a se comportar de maneira diferente de qualquer outro assunto conhecido e observado por nós. O BEC é chamado de "quinto estado da matéria", separando-o desse modo de sólido, líquido, gasoso e plasma; porque átomos de condensado se comportam mais como ondas do que partículas. A natureza ondulatória da matéria só pode ser observada em fenômenos de escala extremamente pequena; no entanto, o BEC os torna mais perceptíveis - e, portanto, mais fáceis de analisar. Os átomos ultrafrios estão em um estado com energia mínima e assumem o mesmo estado de onda, tornando-se indistinguíveis um do outro; a nuvem atômica começa a se comportar inteiramente como um único "superat" solitário.

Engenhoca difícil

O CAL consiste em duas unidades padronizadas que serão instaladas a bordo do ISS. O bloco grande é chamado de brincadeira "geladeira de quatro câmaras" e o pequeno bloco é chamado de "câmara única"; grande e contém todo o enchimento que produz átomos ultracold. Fonte: NASA / JPL-Caltech / Tyler Winn

“É uma ferramenta extremamente complicada”, explica Robert Shotwell, engenheiro-chefe do Departamento de Física e Astronomia da JPL, que supervisiona todos os trabalhos de instalação desde fevereiro de 2017. “Geralmente, esses truques exigem uma pilha de equipamentos com o tamanho de uma sala e você precisa de supervisão direta constante, e criamos um dispositivo não maior que um refrigerador portátil e podemos controlá-lo a partir da Terra. "Tivemos que quebrar muitas barreiras e nos esforçar muito para fazer com que essa peça de quebra-cabeça acabasse na estação espacial hoje".

O primeiro condensado de Bose-Einstein foi obtido em 1995, embora o próprio fenômeno tenha sido previsto pelos físicos Chatyatranat Bose e Albert Einstein, 71 anos antes. Em 2001, Eric Cornell, Karl Wyman e Wolfgank Ketterle dividiram o Prêmio Nobel de Física por criar e estudar as características do BEC no laboratório; no próximo ano, cinco grupos científicos, incluindo os liderados por Cornell e Ketterle, conduzirão experimentos com átomos frios. Desde meados dos anos 90, cientistas de todo o mundo fizeram centenas de experimentos desse tipo; a maioria deles está na Terra, mas vários em vôos espaciais curtos - a bordo de foguetes geofísicos. E, finalmente, a ciência conseguiu uma maneira diária de realizar experiências condensadas por um longo período de tempo a bordo da ISS.

O BEC é produzido em "armadilhas atômicas" intangíveis criadas por campos magnéticos ou lasers. Quando a armadilha é desativada no campo gravitacional da Terra, os átomos ultra-frios se dispersam quase imediatamente com atração, portanto, é possível observá-los apenas por uma fração de segundo. No entanto, sob condições de microgravidade, existe uma suspensão de cinco a dez segundos; No total, os cientistas acumulam até seis horas de observação por dia.

Assim que a pressão cai dentro da armadilha, a temperatura diminui naturalmente; quanto mais a nuvem de átomos permanece na armadilha, mais fria ela se torna. Aqueles que trabalharam com uma lata de tinta estão familiarizados com esse fenômeno - a lata de spray esfria apenas por causa de uma queda de pressão. Na microgravidade, a pressão do condensado cai para valores extremamente pequenos, o que, por sua vez, reduz a temperatura para valores inatingíveis por instrumentos terrestres. Dia após dia, a instalação funciona sem nenhuma intervenção da equipe da estação.


É aqui que o condensado de Bose-Einstein se origina dentro da CAL. Fonte: NASA / JPL-Caltech / Tyler Winn

Depois de receber o BEC do rubídio, a equipe de pesquisa utilizará os átomos de dois isótopos diferentes de potássio. De fato, atualmente o comissionamento está em andamento na CAL; portanto, uma longa série de testes é feita para descobrir como o dispositivo funciona bem em condições de microgravidade.

“Cientistas de todo o mundo não esperam pela permissão para trabalhar em nossa instalação”, diz Kamal Odrihiri, chefe da missão CAL na JPL: “E como uma enorme quantidade de uma ampla variedade de experimentos está planejada, teremos que adaptar várias maneiras de esfriar os átomos e manipulá-los à microgravidade, antes de do que entregaremos este dispositivo nas mãos de especialistas estreitos para um trabalho sério. ” A fase de pesquisa do cronograma começa no início de setembro deste ano e dura pelo menos três anos.


Equipe de física atômica da CAL e cientistas do JPL David Avelin, Ethan Eliott e Jason Williams (da esquerda para a direita); A foto foi tirada no Centro de Operações de Missões Orbitais da Terra em JPL, de onde a CAL será controlada e configurada remotamente. A imagem da tela em segundo plano mostra a instalação diretamente a bordo do ISS. O trabalho de Avelin, Eliot e Williams teve um papel decisivo na obtenção do primeiro condensado de Bose-Einstein do mundo em órbita. Fonte: NASA / JPL-Caltech

A instalação de átomos frios entrou no espaço em 21 de maio de 2018 na nave orbital Cygnus do Wallops Cosmodrome, Virginia. A CAL foi desenvolvida e construída no JPL, e o financiamento do projeto é dividido entre o Programa da Estação Espacial Internacional no Lyndon Johnson Space Center, em Houston, e a Diretoria de Pesquisa e Aplicações em Ciências da Vida Espacial e Física (SLPSRA) e Gerenciamento de Operações da Missão da NASA, na sede da NASA, em Washington.

Para mais informações, você pode visitar o site do projeto .