Les vistes d'Herschel i Planck de la formació d’estrelles.

Clic per engrandir. Aquesta imatge mostra un núvol molecular a la constel·lació de Corona
Australis o la Corona del Sud, basat en una combinació de dades dels telescopis espacials
Herschel i Planck de l'ESA. Les zones brillants de la imatge mostren l’emissió de pols
interestel·lar en tres longituds d’ona diferents observades per Herschel (250, 350 i 500
micres) i les línies que travessen la imatge amb una mena de “patró de moaré”representen
l’orientació del camp magnètic (basada en les dades del Planck). Aquest núvol molecular
es presenta com una cascada, que abasta uns cinc graus al llarg del costat horitzontal
de la imatge. Conté un petit cúmul obert anomenat Coronet, que es troba a la regió
més brillant de la imatge cap a l'esquerra i acull diverses estrelles variables, juntament
amb la nebulosa NGC 6729. La imatge mostra Corona Australis Nord a l'esquerra i
Corona Australis Sud a la dreta. La Corona Australis Nord té les regions més formades
per estels del complex, mentre que la Corona Australis Sud presenta estructures
semblants a les cometes i amb menys formacions estel·lars. En aquesta imatge, el
filament ben definit flueix des de la zona brillant de la part superior esquerra cap a
la part inferior dreta, i una part més extensa i poc visible a la part superior dreta.
Crèdit imatge: ESA/Herschel/Planck; J. D. Soler, MPIA

Una col·lecció d'imatges intrigants basades en dades dels telescopis espacials Herschel i Planck de l'ESA mostren la influència dels camps magnètics sobre els núvols de gas i pols on es formen les estrelles.

Les imatges formen part d’un estudi de l’astrònom Juan D. Soler de l’Institut Max Planck d’Astronomia de Heidelberg, Alemanya, que va utilitzar dades recollides durant les observacions de tot el cel de Planck i el ‘Gould Belt Survey’ de Herschel. Tant Herschel com Planck van ser fonamentals per explorar l’Univers fred i van donar llum a les moltes complexitats del medi interestel·lar: la barreja de gas i pols que omple l’espai entre les estrelles d’una galàxia. Tots dos telescopis van acabar la seva vida operativa el 2013, però es continuen fent nous descobriments a partir del seu llegat de dades.

Herschel va revelar amb detall sense precedents els filaments de material dens en núvols moleculars a tota la nostra galàxia de la Via Làctia i el seu paper clau en el procés de formació d’estrelles. Els filaments es poden fragmentar en cúmuls que eventualment es col·lapsen en estrelles. Els resultats de Herschel mostren un estret vincle entre l'estructura del filament i la presència de cúmuls densos.

Herschel va observar el cel en longituds d’ona d’infrarojos extres i sub-mil·límetres, i les dades es veuen en aquestes imatges com una barreja de diferents colors, amb llum emesa pels grans de pols interestel·lar barrejats dins del gas. La textura de bandes grises tènues que s'estenen a través de les imatges com un patró de drapery, es basa en les mesures de Planck de la direcció de la llum polaritzada emesa per la pols i mostren l'orientació del camp magnètic.

L'estudi va explorar diversos núvols moleculars propers tot a uns 1500 anys llum del Sol, incloent a Taure, Serpentari, Llop, Corona Austral, Camaleó-Mosca, Aquila Rift, Perseu i Orió.

Tots els crèdits de les imatges seguents son del conjunt Herschel-Planck.

Clic per engrandir. Núvol molecular a Taure

Clic per engrandir. Complex de Núvols a Serpentari (Rho Ophiuchi)

Clic per engrandir. Complex de núvols al Llop

Clic per engrandir. Núvol molecular a la Corona Austral

Clic per engrandir. Núvol molecular al Camaleó I

Clic per engrandir. Núvol molecular al Camaleó II

Clic per engrandir. Núvols moleculars a La Mosca

Clic per engrandir. Complex de formació estel·lar a la Fisura de Serpens-Aquila

Clic per engrandir. Núvol molecular a Perseu

Clic per engrandir. Núvol molecular a Orió A

Clic per engrandir. Núvol molecular a Orió B

En aquest estudi, publicat l'any passat a Astronomy & Astrophysics, les dades de Herschel es van utilitzar per calcular la densitat dels núvols moleculars al llarg de la nostra línia de vista per investigar com el medi interestel·lar interactua amb els camps magnètics circumdants.

Els astrònoms han cregut que els camps magnètics tenen un paper en la formació d'estrelles, juntament amb altres factors com la pressió del gas, la turbulència i la gravetat. Tanmateix, les observacions dels camps magnètics dels voltants dels núvols formadors d'estrelles han estat limitats fins a l'arribada de Planck.

El treball es basa en estudis anteriors de la col·laboració de Planck per investigar com és probable que la matèria interestel·lar s’acobli a aquestes línies de camp magnètic, movent-se al llarg d’elles fins que múltiples “bandes transportadores” de la matèria convergeixen per formar una àrea d’alta densitat. Això es pot veure en algunes imatges en forma de "estries", que és un material que apareix perpendicular al filament. Aquestes regions continuen rebent matèria al llarg de les línies magnètiques fins que s’esfondren sota la seva pròpia gravetat, esdevenint prou més fresques i denses per crear nounats estel·lars.

Mentre que el camp magnètic està orientat preferentment perpendicularment als filaments més densos, sembla que l’orientació del camp magnètic canvia de paral·lel a perpendicular amb la densitat creixent. Tot i això, sembla que no hi ha cap correlació entre la velocitat de formació d’estrelles i l’orientació entre filaments i camps magnètics, tot i que l’estudi també troba una correlació entre la distribució de les densitats projectades.

Ho he vist aquí.

Catàleg Charles Messier. Objecte M91

Descoberta molt probablement per Charles Messier el 1781. Redescoberta de forma independent per William Herschel el 8 d'Abril del1784.

El 18 de Març de 1781, Charles Messier va descobrir el gran i poc usual nombre de 8 objectes nebulosos, totes ells a la regió de el límit actual entre les constel·lacions de Verge i Coma Berenice, és a dir, galàxies del Cúmul de Verge, (més un objecte addicional, el cúmul globular M92 a Hèrcules). L'últim d'aquests vuit objectes va ser catalogat per ell com M91, però la seva posició era errònia. 

Així, durant molt de temps, M91 va ser un objecte Messier perdut, ja que Messier havia determinat la seva posició a partir de M89 mentre creia que ho feia a partir de M58, com ha assenyalat l'aficionat de Texas William C. Williams de Fort Worth en 1969 (Williams 1969). D'aquesta forma, es va descobrir finalment la identitat de M91 amb NGC 4548, que havia estat catalogada H II.120 per William Herschel el 8 d'abril de 1784. S'havia opinat prèviament que M91 podria haver estat un estel que el gran caçador de cometes Messier confongués amb una nebulosa, i Owen Gingerich havia suggerit que es tractava d'una observació duplicada de M58. William Herschel no havia trobat a M91 en la posició donada erròniament per Messier i va sospitar que podria tractar-se de NGC 4571 (el seu H III.602), una bella però poc visible espiral barrada de magnitud 11.3 (NGC 4571 va ser discutida en l'estiu de 1994 quan un grup d'astrònoms del Telescopi de Canadà França Hawaii (CFHT) van usar les observacions de 3 Cefeides en aquesta galàxia per a la determinació de la constant de Hubble).

La galàxia espiral barrada M91 és un membre atractiu del Cúmul de Galàxies de Verge. És del tipus SBb i la seva barra és molt conspícua, situant-se en posició angular de 65/245 graus (mesurant des de la direcció Nord cap a l'Est). Encara que la seva velocitat de recessió és tan sols d'uns 400 km/s, té una velocitat peculiarment considerable cap a nosaltres, al voltant de 700 km/s, de manera que la velocitat de recessió del cúmul és d'aproximadament 1.100 km/s.

La pertinença de Messier 91 al Cúmul de Galàxies de Verge es va confirmar fa poc al mesurar la seva distància com 52 +/- 6 milions d'anys llum a través de la detecció de Cefeides variables. Aquests mesuraments es van realitzar des del Telescopi Espacial Hubble H0 Key Team Project (article XX, 1997). Això coincideix bé amb els valors per a altres galàxies de Verge, incloent M100. La diferència entre el seu valor i el nostre es deu principalment a una altra distància del Gran Núvol de Magalhaes assumida per ells, la correcció de l'Hipparcos podria incrementar la seva distància fins als 58 milions d'anys llum.

Clic per engrandir. Crèdit: NOAO/AURA/NSF

Per a un aficionat moderadament equipat, M91 és un dels objectes Messier més difícils. Traces de la seva barra es poden veure sota potència mitjana fins i tot en telescopis petits, si les condicions de visió són prou bones com per veure tota la galàxia. Les fotografies mostren la barra més clarament, i s'aprecien els braços espirals sorgint dels extrems de la barra.

Messier va descriure M91 com 'Nebulosa sense estrelles, més tènue que M90. John Herschel la descriu com brillant, gran, amb poca elongació, lleugerament brillant en el seu Catàleg General, mentre que en les seves observacions més recents, descriu la seva forma un cop com "gairebé bastant allargada" i dues vegades com a "rodona". Això pot ser degut, probablement, a diferents condicions de visió. Sota condicions pobres, només s'aprecia la brillant regió allargada de la barra d'aquesta galàxia, mentre que amb bones condicions els braços espirals es mostren i exhibeixen la seva forma gairebé arrodonida o lleugerament allargada. Aquest efecte pot reproduir-se fins a cert grau amb instruments d'aficionats.

M91 al web del SEDS
Índex del Catàleg Messier del blog

Betelgeuse: el misteri del seu enfosquiment es resol en part

Clic per engrandir. Betelgeuse hauria perdut la seva lluminositat a causa de enormes
taques estel·lars de fins al 70% de la seva superfície. Crèdit: MPIA graphics department.

Fa unes setmanes, Betelgeuse havia perdut el 40% de la seva brillantor. Quan va començar a recuperar la lluminositat, els astrònoms van pensar que l'esdeveniment va ser causat per un núvol de pols. Però avui rebutgen aquesta hipòtesi. Si Betelgeuse s’enfosquís, seria a causa d’unes enormes taques que cobreixen fins al 70% de la seva superfície.

Des de finals del 2019, Betelgeuse ha protagonitzat molts titulars. En poques setmanes, aquesta estrella de la constel·lació d'Orió, normalment molt brillant al nostre cel, ha perdut el 40% de la seva brillantor. Deixar els astrònoms sols davant de les seves hipòtesis. Aviat observarem la seva explosió en una esplèndida supernova? Li devíem aquesta pèrdua de lluminositat a la pols? Entre els investigadors del Max Planck Institute (Alemanya) rebutgen avui aquesta darrera possibilitat. Afirmen que el fenomen va ser causat per taques inusualment grans a la superfície de Betelgeuse.

Recordem que Alpha Orionis és el que els astrònoms anomenen supergeganta vermella, una estrella al final de la vida, 20 vegades més massiva que el nostre Sol i 1.000 vegades més gran. Les pulsacions que experimenta són prou potents com per expulsar les capes exteriors amb relativa fàcilitat. Quan aquest gas es refreda, es forma pols que pot provocar una disminució de la brillantor.

Però, observant Betelgeuse utilitzant l'Atacama Pathfinder EXperiment (APEX) i el telescopi James Clerk Maxwell (Estats Units), investigadors del  Max Planck Institute van descobrir que l'estrella també s'havia tornat un 20% més fosca en la longitud d'ona submil·limètrica. La que a on la pols fresca fa que brilli especialment.

Aquestes espectaculars imatges realitzades per el ESO mostraven, fa unes setmanes,
la distribució de la lluminositat, en llum visible, a la superfície de Betelgeuse, abans
i després del seu enfosquiment. © M. Montargès et at., ESO. Clic per engrandir.

Taques estel·lars d’una extensió sense precedents

Segons els astrònoms, l’enfosquiment mesurat a la llum visible i a les longituds d’ ona submillímetres, d’altra banda, és totalment compatible amb una disminució de la temperatura mitjana superficial de Betelgeuse. Una disminució de la temperatura entorn dels 200 ºC. Però una disminució asimètrica.

“Les imatges d'alta resolució de Betelgeuse, fetes el desembre del 2019, mostren àrees de diversa brillantor. Amb el nostre resultat, això és una clara indicació de taques enormes que cobreixen entre el 50 i el 70% de la superfície visible i que tenen una temperatura inferior a la fotosfera més brillant", explica Peter Scicluna, investigador de l'European Southern Observatory (ESO), a la  nota de premsa del  Max Planck Institute.

Vulgars taques estel·lars, doncs? És cert que aquestes són habituals. El nostre Sol en té. La seva quantitat evoluciona segons un cicle de 11 anys. Les estrelles vermelles gegants també les tenen. Però mai no s’han observat a una escala d’aquest tipus. Així, els astrònoms encara no ho saben tot sobre la seva vida. Tampoc saben si el seu nombre o mida varia segons un cicle. De moment, només una cosa és certa: el model teòric sembla compatible amb la durada de la disminució de la brillantor de Betelgeuse. Per saber-ne més, haurem d’estudiar el gegant vermell una mica més en detall i amb el pas del temps.

Ho he vist aquí.

Per què emeten un brunzit els transformadors o els cables d'Alta Tensió?

Un transformador emet un soroll semblant a un brunzit. Això és normal? Per què el transformador fa soroll? Per respondre a aquestes preguntes, hem d’entendre els efectes que es produeixen en el transformador i en els cables i que provoquen aquest fenomen.

Els transformadors connectats a la xarxa elèctrica brunzeixen perquè l’electricitat, procedent del corrent altern, va i ve. Els "imants atòmics" dins del "nucli de ferro" del transformador es reordenen constantment en una direcció i en l'altra, cinquanta vegades per segon.

Els cables que transporten electricitat estan envoltats de camps electromagnètics. Tanmateix, en un cable que porta corrent altern, els camps canvien de direcció amb cada canvi de direcció del flux elèctric.

El brunzit que sentim és la conseqüència d’aquests canvis en els camps electromagnètics. És causat per la vibració de la caixa del transformador o del recobriment perquè, quan els camps canvien de direcció, atrauen i després repelen els components metàl·lics de la caixa o altres cables. Aquest moviment genera vibracions que provoquen aquest brunzit a 50 Hz normalment (50 cicles per segon), la mateixa freqüència que per al corrent altern (60 Hz als Estats Units).

A què es deu aquest soroll?

Hi ha moltes variables que poden influir en el soroll que genera el transformador. En el moment de la producció,  si es revisa la configuració de la màquina, el procés de muntatge dels nuclis pot reduir significativament les causes del soroll de l'equip.

El brunzit dels transformadors està relacionat amb tres factors principals:

Tipus de placa utilitzada al nucli

Quan es defineix el tipus de placa utilitzada en el seu projecte, es poden triar les plaques GO (Graus Orientats) i GNO (Graus No Orientats). Com que les plaques GNO suporten menys inducció que les plaques GO, cal respectar els límits màxims d’inducció que suporta cada tipus i com més a prop ens arribem al punt d’histèresi magnètica de la placa, més gran és el brunzit emès.

Inducció utilitzada en el projecte

El factor d’inducció és un punt fonamental en la lluita contra el soroll. Cal estar molt atent al nivell màxim d’inducció suportat per cada tipus de placa, per poder adaptar l’equip als nivells tolerats per la normativa.

Fixació i apilat dels nuclis 

Els equips que tenen una subjecció o apilament desiguals sense ajustar bé la transposició de plaques solen presentar un augment dels sorolls.

Clic per engrandir. Mini central transformadora. El brunzit dels transformadors prové dels
canvis en la direcció dels camps electromagnètics. © maxmann de Pixabay .

Situant-nos a un nivell microscòpic, veurem un petit espai on el flux magnètic actua provocant l’atracció de les plaques les unes contra les altres, cosa que té com a efecte generar un so de brunzit. Quan el flux magnètic creua la placa, provoca un lleuger moviment d’atracció entre elles, creant un moviment d’ona, així com una vibració, que generen brunzits en el transformador.

A més de l'efecte d'aproximació natural entre les plaques, que provoca soroll, també hi ha un altre efecte, causat per la fricció entre les plaques on es troben. Per això és important tenir un tall molt lineal, de manera que l’ajustament entre les plaques pugui disposar d’un espai microscòpic amb la superfície de contacte entre les ranures. Això reduirà significativament el soroll causat.

Com es mesura el soroll generat pel transformador?

El procés de mesura del soroll es defineix segons criteris de distància i equips. La mesura s’ha de fer a una distància de 2 a 3 metres de l’equip, amb un sonòmetre per assegurar els resultats obtinguts.

Ho he vist aquí.

GW190814: El curiós cas de la fusió d'un forat negre de 23 masses solars i un objecte enigmàtic més lleuger

Un altre descobriment sense precedents acaba de ser revelat pels científics de LIGO VIRGO. Les dades del tercer període d'observació (O3) dels detectors Avançats LIGO i VIRGO revelen que, a les 21:10 UTC del 14 d'agost de 2019, els tres instruments en xarxa van detectar un senyal d'ona  gravitacional, catalogada com GW190814. El senyal es va originar en la fusió d'una parella enigmàtica: un sistema binari compost per un forat negre, 23 vegades més massiu que el nostre Sol, i un objecte molt més lleuger, d'aproximadament 2.6 vegades la massa del Sol. La fusió va donar lloc a un forat negre final del voltant 25 vegades la massa del Sol.

Clic per engrandir. Recreació artística de GW190814. Crèdit: Alex Andrix

És aquest objecte més lleuger el que fa a GW190814 tan especial. Podria ser tant el forat negre més lleuger, com l'estrella de neutrons més massiva mai descoberta en un sistema binari. Una altra característica peculiar de GW190814 és la raó de masses dels objectes en el sistema binari. El factor 9 en aquesta raó és fins i tot molt més extrem que en el cas de la primera fusió detectada d'un sistema binari amb masses diferents, GW190412.

"Una vegada més, les observacions d'ones gravitacionals estan posant llum en el que és desconegut. L'objecte més lleuger en aquest sistema té una massa que mai abans ha estat observada", comenta Giovanni Losurdo, de l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Itàlia) i portaveu de la Col·laboració VIRGO. "Un nou descobriment, que planteja noves preguntes. Quina és la seva naturalesa? Com ​​es va formar aquest sistema binari? VIRGO, LIGO i aviat, KAGRA al Japó, continuaran buscant respostes i ampliant la frontera del que coneixem sobre el cosmos en què vivim".

L'asimetria en les masses provoca la presència de multipols d'ordre superior a la radiació gravitatòria, un fet que permet dur a terme estrictes verificacions de la Relativitat General. Un cop més, totes les nostres proves confirmen la predicció de la teoria d'Einstein. A més, els multipols d'ordre superior ens permeten determinar de manera diferenciada la distància a la font i l'angle d'inclinació del plànol de l'òrbita de sistema binari respecte a la visual. Hem trobat que la font de l'ona gravitacional està a aproximadament 800 milions d'anys llum de distància.

El senyal ha estat detectat clarament pels tres instruments, amb una raó senyal soroll global molt alta, de 25. Gràcies principalment als retards entre els temps d'arribada del senyal en els tres detectors, separats entre si, la xarxa va ser capaç de localitzar l'origen de GW190814 en el cel en una regió d'uns 19 graus quadrats. Això és similar a la localització aconseguida per a la famosa senyal GW170817, que va marcar l'inici de l'astronomia de multi-missatgers amb ones gravitacionals. En el cas de GW190814, però, cap contrapartida electromagnètica no ha estat observada fins ara.

"Estem molt satisfets amb el rendiment d'Advanced VIRGO durant O3", afegeix Maddalena Mantovani, científica a l'Observatori Gravitacional Europeu (EGO, per les seves sigles en anglès). "Arribem a la sensibilitat objectiu amb un molt bon cicle de treball. Això és el resultat de la dura feina realitzat pels científics i tècnics que han ajustat la màquina per proporcionar el seu millor rendiment. Descobriments científics com GW190814 són les millors recompenses després de tots aquests dies i nits dedicats a millorar el detector".

Els interferòmetres de VIRGO, a Itàlia i LIGO, als Estats Units, els caçadors d’ones gravitacionals, han observat un esdeveniment còsmic sense precedents: la fusió entre un objecte d’uns 2,6 masses solars i un forat negre de 23 masses solars, que es va produir fa uns 800 milions d’anys, emetent una intensa ona gravitatòria, que va arribar a la Terra l’agost del 2019.

Actualment les observacions no permeten especificar si l'objecte misteriós és un forat negre més petit o una estrella de neutrons. Totes dues es formen quan les estrelles massives es queden sense combustible nuclear i exploten com a supernoves. El que queda depèn del que roman del nucli de l'estrella; els nuclis més lleugers formen estrelles de neutrons, els més pesats s’esfondren en forats negres. Tanmateix, hi ha una zona grisa que va des d’objectes de 2,5 fins a les de 5 masses solars de les quals no hi ha observacions i informació insuficients.
 

Una altra peculiaritat d’aquest esdeveniment, a més, és la relació mai observada fins avui, entre les diferents masses dels dos objectes col·lisionants: l’un és aproximadament 9 vegades més pesat que l’altre.

Cap telescopi terrestre i espacial no ha aconseguit trobar rastres de l’esdeveniment a l’espectre visible o electromagnètic de manera que la fusió encara roman envoltada de misteri. No obstant això, aviat es millorarà VIRGO i els dos LIGO i això els permetrà observar un nombre més gran de fonts i donar llum a situacions encara no molt clares. L’objecte més petit es va anomenar GW190814 i el descobriment s’acaba de publicar a The Astrophysical Journal Letters. La contribució dels italians a través de l’INFN (Institut Nacional de Física Nuclear) i del consorci italo-francès EGO (European Gravitational Observatory) de Cascina, a prop de Pisa, on s’assenta VIRGO, és fonamental. Crèdit text: askanews. Vídeo de @Alex Andrix / Col·laboració VIRGO / EGO

Ho he vist aquí.

Lenin segueix viu en un bosc siberià

La descoberta

El fotògraf rus Slava Stepanov estava planejant un viatge de negocis a la regió d'Omsk de Rússia a principis de juny, quan recordava una intrigant però borrosa fotografia de satèl·lit que havia vist anys enrere. Stepanov es va apartar un dia de la seva agenda prevista a Omsk per conduir a la ciutat de Tyukalinsk i, amb Google Maps per guiar-lo, va configurar el seu drone per tenir un aspecte més clar sobre un bosc de boscos a la perifèria pantanosa de la ciutat.

El que el dron va revelar amb nitidessa de detalls quan es va aixecar per damunt del paisatge pantanós va ser “impressionant”, segons Stepanov. Amb una longitud de 300 metres, i en lletres ciríl·liques de 82 metres d’alçada, era el nom de “Lenin” ortografiat amb pins de dècades d'edat.

Clic per engrandir.

Vladimir Lenin va ser el fundador i primer líder comunista de la Unió Soviètica. Després de la seva mort el 1924, es va convertir en una mena de divinitat de la Unió Soviètica.

Stepanov, que ha estudiat els geoglífs rarament fotografiats que es troben dispersos per l’antiga Unió Soviètica, assegura que els arbres van ser plantats molt probablement a la dècada de 1970 per un dels molts aniversaris soviètics quan hi havia pressió per demostrar la dedicació i admiració al sistema comunista.

"A l'URSS, la gent estava molt centrada en els aniversaris, especialment l'aniversari de Lenin i l'aniversari de la Revolució d'Octubre de 1917", diu Stepanov. "Totes les fàbriques, totes les empreses, o fins i tot els pobles sencers, van intentar felicitar d'alguna manera més alt, més fort, més poderós; ser més interessants i notables que la resta. Entre d'altres coses, hi havia la idea que el comunisme seria etern".

 Localització del bosc de Lenin a les rodalies de Tyukalinsk.
Crèdit imatges: Google Earth. Composició: Sci-Bit

Tres persones a Tyukalinsk, inclòs un professor local, van parlar amb RFE/RL. Si bé tots havien sentit a parlar del bosc de Lenin, ningú no estava segur de quan es va plantar ni de per què. L’any 1970 hauria marcat el centenari del naixement de Lenin.

Les declaracions polítiques forestals no són pròpies del totalitarisme soviètic. Els seguidors d'Adolf Hitler a l'Alemanya nazi també van plantar cèlebres arbres que contrastaven cada tardor i primavera amb els pins de fulla perenne al seu voltant per mostrar una esvàstica.

Podeu veure més fotografies de Slava Stepanov del bosc de Lenin al seu compte d'Instagram, fent un clic aquí.

Clic per engrandir. Crèdit: Slava Stepanov

Extret d'aquest article.

Cinquè estat de la matèria: rècord de la durada i observat a bord de l'EEI per primera vegada

Clic per engrandir. Imatge artística de l'experiment CAL a bord de l'EEI. Els àtoms s'han
refredat amb raigs làser. Crèdit: NASA

Aquest és un primer èxit per a l’experiment del CAL (Cold Atom Laboratory-Laboratori d'àtoms freds) a bord de l'EEI. Els investigadors han aconseguit per primera vegada produir a l'espai un cinquè estat de la matèria a una mica menys d'una mil·lèsima de grau Kelvin, d'un condensat de Bose-Einstein. CAL podria obrir la porta a mesures de precisió sense precedents amb làsers atòmics que podrien ser la clau de la nova física en el camp de la gravitació, amb l’expansió de l’Univers o la informació quàntica. 

Empèdocles, i després Aristòtil, van distingir quatre i cinc elements fonamentals que constituïen la realitat: la terra, l’aigua, l’aire, el foc i l’èter. Per als físics moderns, aquestes divisions poden correspondre als estats de la matèria en els primers tres casos, és a dir, sòlid, líquid i gasós. El foc es pot considerar un plasma si la temperatura és prou alta, plasma que es pot veure com un quart estat de la matèria. Pel que fa a l’èter, és la noció de camp i, en primer lloc la de l’espai-temps, que es pot associar amb ell. 

Tanmateix, aquests dies, quan els físics parlen d’un cinquè estat de la matèria, són els condensats de Bose-Einstein (BEC) els que tenen en compte. S’obtenen d’àtoms els nuclis dels quals contenen un nombre parell de protons i neutrons, de manera que en mecànica quàntica es comporten com bosons. Per observar un BEC, cal baixar a temperatures molt baixes per a un gas de partícules que tenen interaccions molt poques o nul·les, fet que és el cas d’un gas diluït i a fortiori amb fotons. És més, estudiant el gas dels fotons que forma la radiació d’un cos negre a partir d’idees que va plantejar l’indi Satyendranath Bose que Albert Einstein va descobrir teòricament, al 1924, el fenomen que avui porta el nom dels dos físics.

El COL. (Cold Atom Laboratory), és un instrument experimental a on el seu llançament cap a l'EEI previst pel juny del 2017, es va efectuar el 21 de maig de 2018.

Aquest instrument crea unes condicions de fred extrem en microgravetat degut a la seva localització a l'EEI, conduint a la formació de condensats de Bose-Einstein d'un grandaria de nivell més fred que els que es creen als laboratoris terrestres. En un laboratori espacial son possibles 20 segons de temps d'interacció i de temperatures de 1 picokelvin. Inicialment la durada de la missió estava fixada en 12 mesos. 

Clic per engrandir. El Laboratori de Àtoms Freds (CAL) consisteix en dos contenidors
estandarditzats incorporats a l'Estació Espacial Internacional. El contenidor més gran
es diu "quad locker", i el més petit es diu "single locker". El quad locker conté
el paquet de física del CAL, o el compartiment on CAL produirà núvols d'àtoms
ultrafreds. Crèdit: NASA/JPL-Caltech/Tyler Winn.

La microgravetat, clau per a l'estudi dels BEC

Una vegada es va pensar que la superfluïdesa de l’heli 4 era una manifestació de la condensació de Bose-Einstein, però les interaccions entre els àtoms d’aquest isòtop d’heli són massa fortes perquè aquest sigui realment el cas, tot i que la idea és parcialment rellevant. No va ser fins al 1995 que el primer condensat de gas real va ser produït per Wolfgang Ketterle, Eric Cornell i Carl Wieman, obrint el camí per a l'estudi dels gasos atòmics diluïts ultra freds en el règim quàntic, cosa que els va valer el Premi Nobel de Física el 2001.

Què és el condensat de Bose-Einstein? © "La Physique Autrement" amb el suport de labex PALM.

Ara, una publicació a Nature anuncia un gran èxit en aquest fascinant camp de recerca que son els BECs. Tal com haviem explicat en diversos dels articles anteriors, un equip d’investigadors treballava des de feia anys en l’experiment CAL (Laboratori de l’atòmic fred) en curs a bord de l'EEI a la que s'hi va unir el 21 de maig del 2018.

Aquests físics ens fan saber que, per tant, van aconseguir per primera vegada produir i observar aquest cinquè estat de la matèria a bord de l'Estació Espacial Internacional (EEI). La disponibilitat de microgravetat fa possible batre diversos registres amb BEC, en particular per assolir temperatures extremadament baixes que no veiem com es podrien obtenir de manera natural al cosmos actualment observable, excepte per una altra civilització tècnicament avançada.

Làsers atòmics per estudiar l’energia fosca

Sobretot, els experiments realitzats amb el BEC que consisteixen inicialment en atrapar i refredar un gas d'atoms amb camps electromagnètics, en particular els rajos làser, requereixen que el gas de les partícules s’expandeixi. Però no massa, en cas contrari, desapareix l’efecte quàntic col·lectiu.

A la Terra, la dilatació és massa ràpida per donar el temps necessari per a certs estudis, però, en una microgravetat permanent com a bord de l'EEI, es poden batre rècords de temps d’existència d’un BEC per als experiments que interessin els físics. Precisament, els investigadors anuncien que han arribat a una durada d’un segon amb un BEC d’àtoms de rubidi com a part de l’experiment CAL, mai vist a la Terra.

El Laboratori d'Àtoms Freds de la NASA a l'Estació Espacial Internacional és
habitualment el punt més fred conegut de l'univers. Però per què els científics estan
produint núvols d'àtoms d'una fracció de grau per sobre del zero absolut?. I per
què necessiten fer-ho a l'espai? Física quàntica, és clar. Així és com el CAL està
ajudant als científics a aprendre més sobre la física que hi ha darrere de coses
com la tecnologia miniaturitzada i la naturalesa fonamental de les partícules que
componen tot el que veiem.  Crèdit: Jet Propulsion Laboratory-Caltech

Hi ha moltes aplicacions possibles amb BEC tan estables i fredes com les que ara són possibles a bord de l'EEI. Permeten provar els principis de la mecànica quàntica en noves condicions. Així, l’ona de matèria col·lectiva, en què les ones de matèria individuals dels àtoms de rubidi es transformen a baixa temperatura, ha de poder assolir una mida que es pugui considerar macroscòpica, és a dir, la d’un pèl, manifestant-se així a la nostra escala, un fenomen quàntic. Això és suficient per sondar la frontera encara poc entesa entre el món quàntic i el món clàssic. 

Els veritables làsers atòmics amb condensats de Bose-Einstein permetrien fer mesures de temps i espai més precises que amb làsers fotònics, així com experiments d’interferències que en tots aquests casos podrien revelar una nova física. Experiments d’aquest tipus s'han proposat per provar el principi d’equivalència o per descobrir la naturalesa de l’energia fosca. Les sensibilitats previstes també farien atractiva la interferometria BEC per a la navegació per satèl·lit, l'exploració i l'observació de la Terra.

Ho he vist aquí