Το πιο κουλ πείραμα στο σύμπαν

[Giannis]

Ποιο είναι το πιο κρύο μέρος που μπορείτε να σκεφτείτε; Οι θερμοκρασίες μια χειμωνιάτικη μέρα στην Ανταρκτική πέφτουν έως και -120ºF (-85ºC). Στη σκοτεινή πλευρά της Σελήνης, έφτασαν τους -280ºF (-173ºC). Όμως μέσα στο Εργαστήριο Ψυχρού Ατόμου της NASA στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό, οι επιστήμονες δημιουργούν κάτι ακόμα πιο κρύο.

Το Cold Atom Lab (CAL) είναι η πρώτη εγκατάσταση σε τροχιά που παράγει σύννεφα «υπερψυχρά» ατόμων, τα οποία μπορούν να φτάσουν ένα κλάσμα ενός βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν: -459ºF (-273ºC), η απόλυτη ψυχρότερη θερμοκρασία που μπορεί να φτάσει η ύλη. Τίποτα στη φύση δεν είναι γνωστό ότι χτυπά τις θερμοκρασίες που επιτυγχάνονται σε εργαστήρια όπως το CAL, πράγμα που σημαίνει ότι η τροχιακή εγκατάσταση είναι τακτικά το πιο κρύο γνωστό σημείο στο σύμπαν.

Το Εργαστήριο Ψυχρού Ατόμου της NASA στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό είναι τακτικά το πιο κρύο γνωστό σημείο στο σύμπαν. Γιατί όμως οι επιστήμονες παράγουν νέφη ατόμων ένα κλάσμα ενός βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν; Και γιατί χρειάζεται να το κάνουν στο διάστημα ; Κβαντική φυσική, φυσικά.

Επτά μήνες μετά την εκτόξευσή του στις 21 Μαΐου 2018 στον διαστημικό σταθμό από την Πτήση Wallops της NASA στη Βιρτζίνια, το CAL παράγει υπερψυχρά άτομα καθημερινά. Πέντε ομάδες επιστημόνων θα πραγματοποιήσουν πειράματα στο CAL κατά τη διάρκεια του πρώτου έτους και τρία πειράματα βρίσκονται ήδη σε εξέλιξη.

Γιατί να ψύχονται τα άτομα σε τόσο ακραίο χαμηλό; Τα άτομα σε θερμοκρασία δωματίου συνήθως κλείνουν με φερμουάρ σαν υπερκινητικά κολίβρια, αλλά τα εξαιρετικά ψυχρά άτομα κινούνται πολύ πιο αργά ακόμη και από ένα σαλιγκάρι. Οι προδιαγραφές ποικίλλουν, αλλά τα υπερψυχρά άτομα μπορεί να είναι περισσότερο από 200.000 φορές πιο αργά από τα άτομα σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτό ανοίγει νέους τρόπους μελέτης των ατόμων καθώς και νέους τρόπους χρήσης τους για έρευνες άλλων φυσικών φαινομένων. Ο πρωταρχικός επιστημονικός στόχος του CAL είναι να διεξάγει θεμελιώδη φυσική έρευνα — να προσπαθεί να κατανοήσει τη λειτουργία της φύσης στα πιο θεμελιώδη επίπεδα.

«Με το CAL αρχίζουμε να κατανοούμε πολύ καλά πώς συμπεριφέρονται τα άτομα στη μικροβαρύτητα, πώς να τα χειριζόμαστε, πώς το σύστημα είναι διαφορετικό από αυτά που χρησιμοποιούμε στη Γη», δήλωσε ο Rob Thompson, φυσικός ψυχρού ατόμου στη NASA. Εργαστήριο Jet Propulsion στην Πασαντένα της Καλιφόρνια και ο επιστήμονας της αποστολής για το CAL. «Όλη αυτή είναι η γνώση που πρόκειται να οικοδομήσει τα θεμέλια για αυτό που ελπίζω ότι είναι ένα μακρύ μέλλον της επιστήμης των ψυχρών ατόμων στο διάστημα».

Τα εργαστήρια στη Γη μπορούν να παράγουν υπερψυχρά άτομα , αλλά στο έδαφος, η βαρύτητα τραβάει τα ψυχρά νέφη των ατόμων και πέφτουν γρήγορα, δίνοντας στους επιστήμονες μόνο κλάσματα του δευτερολέπτου για να τα παρατηρήσουν. Τα μαγνητικά πεδία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να «παγιδέψουν» τα άτομα και να τα κρατήσουν ακίνητα, αλλά αυτό περιορίζει τη φυσική τους κίνηση. Στη μικροβαρύτητα, τα κρύα νέφη των ατόμων επιπλέουν για πολύ περισσότερο, δίνοντας στους επιστήμονες μια εκτεταμένη άποψη της συμπεριφοράς τους.

Η διαδικασία δημιουργίας των κρύων νέφους ατόμων ξεκινά με λέιζερ που αρχίζουν να μειώνουν τη θερμοκρασία επιβραδύνοντας τα άτομα. Τα ραδιοκύματα απομακρύνουν τα πιο ζεστά μέλη της ομάδας, μειώνοντας περαιτέρω τη μέση θερμοκρασία. Τέλος, τα άτομα απελευθερώνονται από μια μαγνητική παγίδα και αφήνονται να διασταλούν. Αυτό προκαλεί πτώση της πίεσης που, με τη σειρά του, προκαλεί φυσικά μια άλλη πτώση της θερμοκρασίας του νέφους (το ίδιο φαινόμενο που κάνει ένα κουτί πεπιεσμένου αέρα να αισθάνεται κρύο μετά τη χρήση). Στο διάστημα, το σύννεφο έχει περισσότερο χρόνο για να επεκταθεί και έτσι να φτάσει σε ακόμη χαμηλότερες θερμοκρασίες από αυτές που μπορούν να επιτευχθούν στη Γη - περίπου στο ένα δέκατο δισεκατομμυριοστό του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν, ίσως και χαμηλότερες.

Οι εγκαταστάσεις υπερψυχρού ατόμου στη Γη καταλαμβάνουν συνήθως ένα ολόκληρο δωμάτιο και στα περισσότερα, το υλικό αφήνεται εκτεθειμένο έτσι ώστε οι επιστήμονες να μπορούν να προσαρμόσουν τη συσκευή εάν χρειαστεί. Η κατασκευή ενός εργαστηρίου ψυχρού ατόμου για το διάστημα έθεσε αρκετές σχεδιαστικές προκλήσεις, μερικές από τις οποίες αλλάζουν τη θεμελιώδη φύση αυτών των εγκαταστάσεων. Πρώτον, υπήρχε το θέμα του μεγέθους: η CAL πέταξε στο σταθμό σε δύο κομμάτια—ένα μεταλλικό κουτί λίγο μεγαλύτερο από ένα μίνι ψυγείο και ένα δεύτερο περίπου στο μέγεθος μιας χειραποσκευής. Δεύτερον, το CAL σχεδιάστηκε για να λειτουργεί εξ αποστάσεως από τη Γη, επομένως κατασκευάστηκε ως μια πλήρως κλειστή εγκατάσταση.

Το CAL διαθέτει επίσης μια σειρά από τεχνολογίες που δεν έχουν πετάξει ποτέ στο διάστημα στο παρελθόν, όπως εξειδικευμένες κυψέλες κενού που περιέχουν τα άτομα, τα οποία πρέπει να σφραγίζονται τόσο σφιχτά ώστε να μην μπορεί να διαρρεύσει σχεδόν κανένα αδέσποτο άτομο. Το εργαστήριο έπρεπε να είναι σε θέση να αντέχει η δόνηση της εκτόξευσης και οι ακραίες δυνάμεις που βιώθηκαν κατά τη διάρκεια της πτήσης προς τον διαστημικό σταθμό . Χρειάστηκαν πολλά χρόνια στις ομάδες για να αναπτύξουν μοναδικό υλικό που θα μπορούσε να καλύψει τις ακριβείς ανάγκες για ψύξη ατόμων στο διάστημα.

«Αρκετά μέρη του συστήματος χρειάστηκαν επανασχεδιασμό και ορισμένα εξαρτήματα έσπασαν με τρόπους που δεν είχαμε ξαναδεί», δήλωσε ο Robert Shotwell, επικεφαλής μηχανικός της Διεύθυνσης Αστρονομίας, Φυσικής και Διαστημικής Τεχνολογίας της JPL και διευθυντής έργου CAL. «Η εγκατάσταση έπρεπε να σχιστεί εντελώς και να συναρμολογηθεί ξανά τρεις φορές».

Όλη η σκληρή δουλειά και η επίλυση προβλημάτων από την έναρξη της αποστολής το 2012 έκανε πραγματικότητα το όραμα της ομάδας CAL τον περασμένο Μάιο. Τα μέλη της ομάδας CAL μίλησαν μέσω ζωντανού βίντεο με τους αστροναύτες Ricky Arnold και Drew Feustel στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό για την εγκατάσταση του Cold Atom Laboratory, της δεύτερης εγκατάστασης υπερψυχρού ατόμου που λειτούργησε ποτέ στο διάστημα, της πρώτης που έφτασε σε τροχιά της Γης και της πρώτης που παρέμεινε σε χώρο για περισσότερο από λίγα λεπτά. Στην πορεία, η CAL έχει επίσης εκπληρώσει τις ελάχιστες απαιτήσεις που έθεσε η NASA για να θεωρήσει την αποστολή επιτυχημένη και παρέχει ένα μοναδικό εργαλείο για την εξερεύνηση των μυστηρίων της φύσης.