Получены первые результаты эксперимента в самой холодной точке космоса

В январе прошлого года взлетела ракета с малюсеньким чипом на борту. Упакованные на чипе атомы рубидия-87 поднялись над поверхностью на 200 километров, в высшей точки зависнув в микрогравитации на 6 минут.

На эти шесть минут этот маленький чип стал самой холодной точкой в космосе.

И в эти шесть минут немецкие ученые сумели провести более 100 экспериментов, результаты которых повлияют на то, как в дальнейшем мы будем изучать Вселенную.

Эксперимент MAIUS 1 (Matter-Wave Interferometry in Microgravity) стал первым из нескольких миссий, направленных на изучения особого состояния материи — конденсата Бозе-Эйнштейна — в условиях микрогравитации.

 В обычных условиях набор атомов всегда вибрирует от энергии. Но стоит эту энергию забрать, и все частицы впадают в стазис, при котором исчезают все индивидуальные характеристики, т.е. квантовые состояния. Вместо того, чтобы двигаться под свой ритм, атомы становятся неразличимы. Поэтому физики и любят конденсат Бозе-Эйнштейна, ведь он позволяет спокойно и более подробно изучить поведение частиц.

Обычно для того, чтобы “усыпить” частицы, приходится удерживать их в электромагнитной ловушке, постоянно обстреливая подопытных из точно настроенных лазеров. Это можно сравнить с подталкиванием человека на качелях, только не для того, чтобы он разогнался, а чтобы замедлился.

Как только атомы успокаиваются, ловушка отключается, и у ученых есть считанные мгновения для эксперимента, прежде чем гравитация утянет атом на дно контейнера. А если гравитацию убрать?

MAIUS 1 стал первым экспериментом по созданию КБЭ в свободном падении.

Обычно для этого требуется целая комната оборудования для охлаждения атомов. Исследователям потребовалось максимально уменьшить все составляющие, чтобы они поместились на борт. Результатом стал маленький чип с атомами рубидия.

Во время взлета чип охладил атомы до -273.15 градусов Цельсия, что на целый градус ниже температуры самого холодного известного нам природного объекта во Вселенной — туманности Бумеранг в созвездии Центавра. Поэтому на несколько минут этот набор атомов рубидия и в самом деле был самой холодной точкой во вселенной. 

В общей сложности за этот маленький промежуток команда исследователей успела провести 110 разных экспериментов, основательно “потыкав палочкой” в это облачко очень холодных атомов.

Одна из серий экспериментов особенно пригодится в набирающем популярность исследовании гравитационных волн.

Сейчас для определения гравитационных волн ученые разделяют и снова соединяют луч лазера. Исследования показали, что КБЭ может стать новым методом, который потенциально сможет охватить ранее неисследованные частоты.

Исследователи разделили облачко на две половины, а затем объединили. Так как квантовое состояние у половинок одно и то же, все различия между половинками являются результатом воздействия внешних сил — в том числе изменениями в гравитационном поле. На Земле на такой эксперимент просто не хватит времени, но условия миссий MAIUS подходят.

Впрочем, MAIUS — не единственная миссия по изучению КБЭ. НАСА организовало на борту МКС Лабораторию холодного атома, которая теоретически сможет побить рекорд длительности ультрахолодных экспериментов.

Исследование было опубликовано в Nature.