Самый холодный эксперимент во Вселенной
Схематичное изображение, показывающее принцип работы установки по получению ультрахолодных атомов.
Какое самое холодное место вы можете представить? Температура в зимний день в Антарктиде опускается до -85ºC. На темной стороне Луны она достигает -173ºC. Но в Лаборатории холодного атома НАСА на Международной космической станции ученые создают нечто более холодное.
Лаборатория холодного атома (ЛХА) — это первая установка на орбите, которая производит облака «ультрахолодных» атомов, температура которых может достигать доли градуса выше абсолютного нуля, -273.15ºC — минимального предела температуры, которую может иметь физическое тело во Вселенной. Ничто в природе, как известно, не достигает температур, получаемых в лабораториях, таких как ЛХА (даже реликтовое излучение на пару градусов теплее), что означает, что орбитальная установка является самым холодным из известных нам мест во Вселенной.
Но зачем ученые производят облака атомов на доли градуса выше абсолютного нуля? И почему они делают это в космосе? Ради квантовой физики, конечно.
Зачем охлаждать атомы до такой предельно низкой температуры? Атомы при комнатной температуре, как правило, носятся как гиперактивные колибри, но ультрахолодные атомы движутся гораздо медленнее. В среднем ультрахолодные атомы могут быть более чем в 200 000 раз медленнее, чем атомы при комнатной температуре. Когда атомы охлаждаются от такой низкой температуры, они могут образовать крайне необычное пятое состояние материи — конденсат Бозе-Энштейна (первые четыре — это газ, жидкость, плазма и твердое тело).
В таком состоянии атомы действуют скорее как волны, чем частицы. Обычно волновые свойства атомов проявляются лишь в микроскопических масштабах, но конденсат Бозе-Энштейна делает это явление макроскопическим — а, значит, гораздо более простым для изучения. При охлаждении почти до температуры абсолютного нуля атомы занимают самое низкое энергетическое и квантовое состояние из возможных, становясь фактически неотличимыми друг от друга. Поэтому охлажденные атомные облака начинают походить на один «суператом» вместо группы отдельных атомов, что позволяет лучше узнать малоизведанный нами микромир.
Ежедневно все семь месяцев с момента запуска 21 мая 2018 года с космодрома НАСА Уоллопс в Вирджинии ЛХА производит ультрахолодные атомы. Пять групп ученых проведут эксперименты в этой лаборатории в течение первого года, и три из них уже проведены.
«С помощью ЛХА мы начинаем понимать, как атомы ведут себя в условиях микрогравитации, как ими управлять, как система отличается от той, которую мы используем на Земле», — сказал Роб Томпсон, физик, изучающий холодные атомы в Лаборатории реактивного движения в Пасадене, штат Калифорния, и ученый миссии ЛХА. «Это все знания, которые заложат основу для того, что, я надеюсь, даст светлое будущее изучению холодным атомам в космосе».
Лаборатории на Земле могут производить ультрахолодные атомы, но на Земле гравитация притягивает охлажденные атомные облака, и они быстро падают, предоставляя ученым лишь доли секунды, чтобы наблюдать за ними. Магнитные поля могут быть использованы для «захвата» атомов и удержания их на месте, но это ограничивает их естественное движение. В условиях микрогравитации облака холодных атомов плавают гораздо дольше (до 10 секунд), что дает ученым больше возможностей для их изучения.
Процесс создания облаков холодных атомов начинается с лазеров, которые благодаря световому давлению замедляют атомы, тем самым понижая температуру. Радиоволны «срезают» самых теплых членов группы, еще больше понижая среднюю температуру. Наконец, атомные облака освобождают из магнитной ловушки и позволяют им расширяться. Это приводит к падению давления, которое, в свою очередь, естественным образом вызывает еще большее падение температуры облака (явление схоже с тем, что баллон со сжатым воздухом становится холодным после использования). В космосе облако может расшириться сильнее, и, таким образом, достичь более низких температур, чем на Земле — примерно одной десятимиллиардной доли градуса выше абсолютного нуля, возможно, даже ниже.
Ультрахолодные атомные объекты на Земле обычно занимают целую комнату, и в большинстве случаев аппаратное обеспечение остается открытым, так что ученые могут отрегулировать установку в случае необходимости. Проектирование лаборатории холодного атома для космоса выявило несколько ограничений, некоторые из которых изменяют фундаментальный характер этих установок. Во-первых, вопрос размера: на МКС не так много места, так что ЛХА «утрамбовали» в две небольшие коробки, размерами не больше мини-холодильника. Во-вторых, лаборатория была разработана для удаленного управления с Земли, поэтому она была построена как полностью закрытый объект.
ЛХА также имеет ряд технологий, которые никогда ранее не использовались в космосе, таких как специализированные вакуумные ячейки, содержащие атомы, запечатанные так плотно, чтобы в них не могли проникнуть случайные атомы извне. Лаборатория должна была выдержать перегрузки при старте и полете на космическую станцию. Командам потребовалось несколько лет, чтобы разработать уникальное оборудование, способное выдержать все это и провести охлаждение атомов в космосе.
«Некоторые части системы требовали доработки, а некоторые части ломались так, как мы никогда раньше не видели», — сказал Роберт Шотвелл, главный инженер проекта ЛХА. «Лаборатория должна была иметь возможность быть разобранной и повторно собранной без потери работоспособности».
Вся тяжелая работа и решение проблем с момента создания миссии в 2012 году превратили мечты команды ЛХА в реальность в мае этого года. Члены команды ЛХА по видео в прямом эфире консультировали астронавтов Рика Арнольда и Дрю Фейстела на борту МКС по установке Лаборатории холодного атома, второй в своем роде, когда-либо работавшей в космосе, и первой, рассчитанной на долгую работу на орбите Земли. Кроме того, ЛХА также выполнила минимальные требования, установленные НАСА, чтобы считать миссию успешной, и сейчас является уникальным инструментом для изучения тайн природы.
Источник
Самое холодное место во Вселенной
Как вы знаете из курса школьной физики, самая низкая температура – абсолютный ноль, или 0 градусов по Кельвину. По Цельсию это будет – 273.15 градусов. При такой температуре движение атомов в любом веществе должно остановиться. Но это теоретически, так как нигде нет такого холода, даже в космосе.
На Земле самое холодное место – станция «Восток» в Антарктиде, где в 1983 году была зафиксирована температура в -89 градусов по Цельсию. Это очень холодно – если выйти без специального снаряжения, можно моментально отморозить себе лёгкие. Но всё равно это просто курорт по сравнению с космическими температурами. Давайте поищем, где находится самое холодное место во Вселенной, известное учёным. Начнём с окрестностей – Солнечной системы.
Самое холодное место в Солнечной системе
Еще не так давно самым холодным местом Солнечной системы считался Уран. Эта планета вместе с Нептуном не зря относится к типу ледяных гигантов. В атмосфере Урана была зафиксирована температура в -224 0 C. Это ужасно холодно, но есть и еще более холодные места.
Затем пальма первенства перешла к Тритону, спутнику Нептуна. Он находится еще дальше от Солнца, чем Уран, так что это кажется логичным. «Вояджер-2», пролетая мимо системы Нептуна, зафиксировал на Тритоне температуру в -235 0 C.
Казалось бы, если мы будем удаляться от Солнца всё дальше, то будем находить места всё более холодные. Но это не так – на Плутоне, например, «теплее» — «всего» — 223 0 C.
Как ни странно, самое холодное место в Солнечной системе расположено гораздо ближе к Солнцу, буквально в шаге от нас – на Луне. Орбитальный аппарат Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) в 2009 году сканировал северные области Луны в инфракрасном диапазоне и зафиксировал в одном из кратеров температуру в -249 0 C. Этот кратер расположен вблизи северного лунного полюса и всегда находится в тени, то есть солнечные лучи туда никогда не попадают. Заметим, что на освещенной Солнцем лунной поверхности температура может достигать +117 0 C.
Самое холодное место в Солнечной системе находится на Луне. Инфракрасный снимок LRO. Самое тёмное место — самое холодное.
Как видим, самое холодное место в Солнечной системе, расположенное на Луне, имеет рекордно низкую температуру в -249 0 С. До абсолютного нуля совсем немного – всего 24.15 градусов. Если места во Вселенной, где ещё холоднее? Двинемся дальше, в глубокий космос.
Самое холодное место во Вселенной
Удалившись от Солнца всего на 5000 световых лет в направлении созвездия Центавра, мы можем обнаружить любопытную протопланетарную туманность. Она состоит из газа, быстро распространяющегося от центральной звезды в основном в двух направлениях. Из-за формы эта туманность иногда называют «галстуком-бабочкой», но обычное её название – «Бумеранг».
Туманность Бумеранг — самое холодное место во Вселенной.
Эта туманность очень быстро расширяется. Весь газ был изначально сброшенной оболочкой центральной звезды. Скорость расширения составляет 164 км/с, или 600 000 км/ч. Из-за этого туманность очень холодная – в ней происходит сильное поглощение энергии, которая тратится на расширение.
Туманность Бумеранг –самое холодное место во Вселенной, известное учёным сейчас. Температура в нём – всего 1 Кельвин, или -272 градуса по Цельсию, то есть это очень близко к абсолютному нулю. Если бы она не расширялась так быстро, то была бы самым заурядным местом, но именно это быстрое движение приводит к столь сильному охлаждению газа в этой туманности. Это похоже на естественный холодильник гигантского размера.
Туманность Бумеранг не всегда будет оставаться самым холодным местом. Срок жизни протопланетарных туманностей небольшой. Пройдут тысячи или даже несколько десятков тысяч лет, и эта туманность станет обычной планетарной. Газ в ней замедлит свой бег и частично рассеется в огромном пространстве, и эта туманность ничем не будет отличаться от других.
Но на данный момент туманность Бумеранг – самое холодное место во Вселенной. Меньшие температуры ученые получали лишь в лабораторных условиях, а здесь это естественное явление. Конечно, Вселенная велика, и наверняка в ней есть еще немало подобных объектов. Возможно, некоторые окажутся еще немного холоднее, но их еще предстоит открыть.
Источник
Самое холодное место во Вселенной
Автор: Маглипогода · Опубликовано 14.06.2020 · Обновлено 27.06.2021
Как вы знаете из курса школьной физики, самая низкая температура – абсолютный ноль, или 0 градусов по Кельвину. По Цельсию это будет – 273 °С. При такой температуре движение атомов в любом веществе должно остановиться. Но это теоретически, так как нигде нет такого холода, даже в космосе.
Всего на 5000 световых лет от Солнце в направлении созвездия Центавра, мы можем обнаружить любопытную протопланетарную туманность. Она состоит из газа, быстро распространяющегося от центральной звезды в основном в двух направлениях. Из-за формы эта туманность иногда называют «галстуком-бабочкой», но обычное её название – «Бумеранг».
Эта туманность очень быстро расширяется. Весь газ был изначально сброшенной оболочкой центральной звезды. Скорость расширения составляет 164 км/с, или 600 000 км/ч. Из-за этого туманность очень холодная – в ней происходит сильное поглощение энергии, которая тратится на расширение.
Туманность Бумеранг – самое холодное место во Вселенной, известное учёным сейчас. Температура в нём – около 1 Кельвин, или -272 градуса по Цельсию, то есть это очень близко к абсолютному нулю. Если бы она не расширялась так быстро, то была бы самым заурядным местом, но именно это быстрое движение приводит к столь сильному охлаждению газа в этой туманности. Это похоже на естественный холодильник гигантского размера.
Туманность Бумеранг не всегда будет оставаться самым холодным местом. Срок жизни протопланетарных туманностей небольшой. Пройдут тысячи или даже несколько десятков тысяч лет, и эта туманность станет обычной планетарной. Газ в ней замедлит свой бег и частично рассеется в огромном пространстве, и эта туманность ничем не будет отличаться от других.
Но на данный момент туманность Бумеранг – самое холодное место во Вселенной. Меньшие температуры ученые получали лишь в лабораторных условиях, а здесь это естественное явление. Конечно, Вселенная велика, и наверняка в ней есть еще немало подобных объектов. Возможно, некоторые окажутся еще немного холоднее, но их еще предстоит открыть.
Дополнительная информация
Температура, как правило, не опускается ниже температуры реликтового микроволнового излучения — того самого, которое осталось со времён Большого взрыва. Температура этого излучения не может опуститься ниже 2,725 К (−270,425 градуса Цельсия) до тех пор, пока Вселенная немного не расширится. Когда возраст нашей Вселенной увеличится вдвое, рекликтовое излучение едва ли на один градус превысит абсолютный ноль.
Откуда такие низкие температурные значения?
В центре туманности доживает свой век умирающая звезда. Когда-то она была желтым карликом, а сейчас заканчивает жизнь в системе из белого карлика и планетарной туманности. Но прежде чем пройти все трансформации, присущие звёздам ее класса, недолгое время она провела в состоянии препланетарной туманности.
Это состояние возникает, когда температура в звёздном ядре повышается, а периферия только-только начинает отделяться. При этом выброс вещества может осуществляться 1–2 джетами (потоками плазмы из внешних слоев вещества звёзды). В туманности Бумеранг плазма двигалась с большой скоростью (
600000 км/ч), при этом очень быстро расширяясь. Именно из-за очень быстрого расширения в туманности возникли области, температура в которых опустилась ниже, чем в любом другом месте Вселенной.
При такой температуре полностью прекращается тепловое движение атомов и исчезают привычные состояния вещества — газ, жидкость, твёрдое тело.
Воспользуйтесь поиском по сайту, чтобы найти больше интересной информации:
Следите за погодой и климатом вместе с нами!
С Уважением, Магли погода !
Информация, которая размещается на сайте, не считается официальной .
На всех страницах функционирует система уведомления п равописания . Обнаружив ошибку или неточность в тексте, выделите ее и нажмите Ctrl+Enter .
Источник