Rumstationseksperiment når ultrakold milepæl

Den Internationale Rumstation er officielt hjemsted for det fedeste eksperiment i rummet.

NASA's Cold Atom Laboratory (CAL) blev installeret i stationens amerikanske videnskabslaboratorium i slutningen af ​​maj og producerer nu skyer af ultrakolde atomer kendt som Bose-Einstein-kondensater. Disse "BEC'er" når temperaturer lige over det absolutte nulpunkt, det punkt, hvor atomer teoretisk set helt burde holde op med at bevæge sig. Det er første gang, at BEC'er nogensinde er blevet produceret i kredsløb.

CAL er en flerbrugerfacilitet dedikeret til studiet af grundlæggende naturlove ved hjælp af ultrakolde kvantegasser i mikrogravitation. Kolde atomer er langlivede, præcist kontrollerede kvantepartikler, der giver en ideel platform for studiet af kvantefænomener og potentielle anvendelser af kvanteteknologier. Dette NASA-anlæg er det første af sin slags i rummet. Det er designet til at fremme videnskabsmænds evne til at foretage præcise målinger af tyngdekraften, udforskning af langvarige problemer i kvantefysik (studiet af universet i de allermindste skalaer), og udforske materiens bølgelignende natur.

"At have et BEC-eksperiment i drift på rumstationen er en drøm, der går i opfyldelse, " sagde Robert Thompson, CAL-projektforsker og fysiker ved NASAs Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Californien. "Det er længe siden, svær vej at komme hertil, men fuldstændig kampen værd, fordi der er så meget, vi kommer til at kunne gøre med denne facilitet."

CAL-forskere bekræftede i sidste uge, at anlægget har produceret BEC'er fra atomer af rubidium, med temperaturer så lave som 100 nanokelvin, eller en ti-milliontedel af en Kelvin over det absolutte nulpunkt. (Absolut nul, eller nul Kelvin, er lig med min 459 grader Fahrenheit, eller minus 273 grader Celsius). Det er koldere end den gennemsnitlige temperatur i rummet, hvilket er omkring 3 Kelvin (minus 454 grader Fahrenheit/minus 270 grader Celsius). Men CAL-forskerne har deres sigte sat endnu lavere, og forventer at nå temperaturer, der er koldere end hvad nogen BEC-eksperimenter har opnået på Jorden.

Ved disse ultrakolde temperaturer, atomerne i en BEC begynder at opføre sig ulig noget andet på Jorden. Faktisk, BEC'er karakteriseres som en femte materietilstand, adskilt fra gasser, væsker, faste stoffer og plasma. I en BEC, atomer virker mere som bølger end partikler. Atomernes bølgenatur kan typisk kun observeres i mikroskopiske skalaer, men BEC'er gør dette fænomen makroskopisk, og dermed meget nemmere at studere. De ultrakolde atomer antager alle deres laveste energitilstand, og påtage sig den samme bølgeidentitet, ikke kan skelnes fra hinanden. Sammen, atomskyerne er som et enkelt "superatom, "i stedet for individuelle atomer.

Ikke et simpelt instrument

"CAL er et ekstremt kompliceret instrument, " sagde Robert Shotwell, chefingeniør i JPLs direktorat for astronomi og fysik, som har overvåget det udfordrende projekt siden februar 2017. "Typisk, BEC-eksperimenter involverer nok udstyr til at fylde et rum og kræver næsten konstant overvågning af videnskabsmænd, hvorimod CAL er på størrelse med et lille køleskab og kan fjernbetjenes fra Jorden. Det var en kamp og krævede en betydelig indsats for at overvinde alle de nødvendige forhindringer for at producere det sofistikerede anlæg, der fungerer på rumstationen i dag."

De første laboratorie BEC'er blev produceret i 1995, men fænomenet blev først forudsagt 71 år tidligere af fysikerne Satyendra Nath Bose og Albert Einstein. Erik Cornell, Carl Wienman og Wolfgang Ketterle delte 2001 Nobelprisen i fysik for at være de første til at skabe og karakterisere BEC'er i laboratoriet. Fem videnskabsgrupper, herunder grupper ledet af Cornell og Ketterle, vil udføre eksperimenter med CAL i løbet af dets første år. Hundredvis af BEC-eksperimenter er blevet udført på Jorden siden midten af ​​1990'erne, og et par BEC-eksperimenter har endda foretaget korte ture til rummet ombord på klingende raketter. Men CAL er det første anlæg af sin art på rumstationen, hvor videnskabsmænd kan udføre daglige undersøgelser af BEC'er over lange perioder.

BEC'er skabes i atomfælder, eller friktionsfri beholdere lavet af magnetiske felter eller fokuserede lasere. På jorden, når disse fælder er lukket, tyngdekraften trækker på de ultrakolde atomer, og de kan kun studeres i brøkdele af et sekund. Rumstationens vedvarende mikrotyngdekraft gør det muligt for forskere at observere individuelle BEC'er i fem til 10 sekunder ad gangen, med evnen til at gentage disse målinger i op til seks timer om dagen. Når atomskyen dekomprimeres inde i atomfælden, dens temperatur falder naturligt, og jo længere skyen bliver i fælden, jo koldere bliver det. Dette naturlige fænomen (at et trykfald også betyder et temperaturfald) er også årsagen til, at en dåse spraymaling bliver kold, når malingen sprøjtes ud:dåsens indre tryk falder. I mikrogravitation, BEC'erne kan dekomprimere til koldere temperaturer end noget jordbundet instrument. Dag-til-dag drift af CAL kræver ingen indgriben fra astronauterne ombord på stationen.

Ud over BEC'erne lavet af rubidium atomer, CAL-teamet arbejder på at lave BEC'er ved hjælp af to forskellige isotoper af kaliumatomer.

CAL er i øjeblikket i en idriftsættelsesfase, hvor operationsteamet udfører en lang række tests for fuldt ud at forstå, hvordan CAL-anlægget fungerer i mikrogravitation.

"Der er et verdensomspændende hold af videnskabsmænd klar og begejstret for at bruge denne facilitet, " sagde Kamal Oudrhiri, JPL's mission manager for CAL. "Den mangfoldige række af eksperimenter, de planlægger at udføre, betyder, at der er mange teknikker til at manipulere og afkøle atomerne, som vi skal tilpasse til mikrogravitation, før vi overdrager instrumentet til de vigtigste efterforskere for at påbegynde videnskabelige operationer." Den videnskabelige fase forventes at begynde i begyndelsen af ​​september og vil vare tre år.

Cold Atom Laboratory blev opsendt til rumstationen den 21. 2018, ombord på et Northrop Grumman (tidligere Orbital ATK) Cygnus-rumfartøj fra NASAs Wallops Flight Facility i Virginia. Designet og bygget hos JPL, CAL er sponsoreret af det internationale rumstationsprogram ved NASAs Johnson Space Center i Houston, og Space Life and Physical Sciences Research and Applications (SLPSRA) afdelingen af ​​NASA's Human Exploration and Operations Mission Directorate ved NASA's hovedkvarter i Washington.