Thí nghiệm thú vị nhất trong vũ trụ

Phòng thí nghiệm nguyên tử lạnh (CAL) là cơ sở đầu tiên trên quỹ đạo tạo ra các đám mây nguyên tử “cực trị”, có thể đạt tới một phần độ trên độ không tuyệt đối: -459ºF (-273ºC), nhiệt độ lạnh tuyệt đối nhất có thể đạt tới. Không có gì trong tự nhiên được biết là đạt đến nhiệt độ đạt được trong các phòng thí nghiệm như CAL, điều đó có nghĩa là cơ sở quỹ đạo thường là điểm lạnh nhất được biết đến trong vũ trụ.

Phòng thí nghiệm nguyên tử lạnh của NASA trên Trạm vũ trụ quốc tế thường là điểm lạnh nhất được biết đến trong vũ trụ. Nhưng tại sao các nhà khoa học tạo ra các đám mây nguyên tử một phần nhỏ hơn độ không tuyệt đối? Và tại sao họ cần phải làm điều đó trong không gian? Vật lý lượng tử, tất nhiên.

Bảy tháng sau ngày 21 tháng 5 năm 2018, phóng lên trạm vũ trụ từ Cơ sở bay Wallops của NASA ở Virginia, CAL đang sản xuất các nguyên tử cực nhỏ hàng ngày. Năm nhóm các nhà khoa học sẽ thực hiện các thí nghiệm trên CAL trong năm đầu tiên và ba thí nghiệm đã được tiến hành.

Tại sao các nguyên tử mát đến mức cực thấp như vậy? Các nguyên tử ở nhiệt độ phòng thường xoay quanh như những con chim ruồi hiếu động, nhưng các nguyên tử cực nhanh di chuyển chậm hơn nhiều so với cả một con ốc sên. Cụ thể khác nhau, nhưng các nguyên tử ultracold có thể chậm hơn 200.000 lần so với các nguyên tử ở nhiệt độ phòng. Điều này mở ra những cách mới để nghiên cứu các nguyên tử cũng như những cách mới để sử dụng chúng để điều tra các hiện tượng vật lý khác. Mục tiêu khoa học chính của CAL là tiến hành nghiên cứu vật lý cơ bản – cố gắng tìm hiểu hoạt động của tự nhiên ở các cấp độ cơ bản nhất.

“Với CAL, chúng tôi bắt đầu hiểu biết rất kỹ về cách các nguyên tử hoạt động trong vi trọng lực, cách điều khiển chúng, hệ thống khác với những gì chúng ta sử dụng trên Trái đất”, Rob Thompson, nhà vật lý nguyên tử lạnh tại NASA nói. Phòng thí nghiệm sức đẩy phản lực ở Pasadena, California và nhà khoa học truyền giáo cho CAL. “Đây là tất cả kiến ​​thức sẽ xây dựng một nền tảng cho những gì tôi hy vọng là một tương lai lâu dài của khoa học nguyên tử lạnh trong không gian.”

Các phòng thí nghiệm trên Trái đất có thể tạo ra các nguyên tử cực nhỏ, nhưng trên mặt đất, lực hấp dẫn kéo theo các đám mây nguyên tử lạnh và chúng rơi xuống nhanh chóng, khiến các nhà khoa học chỉ cần phân số của một giây để quan sát chúng. Từ trường có thể được sử dụng để “bẫy” các nguyên tử và giữ chúng, nhưng điều đó hạn chế chuyển động tự nhiên của chúng. Trong vi trọng lực, các đám mây nguyên tử lạnh trôi nổi lâu hơn nhiều, giúp các nhà khoa học có cái nhìn mở rộng về hành vi của chúng.

Quá trình tạo ra các đám mây nguyên tử lạnh bắt đầu bằng các tia laser bắt đầu hạ nhiệt độ bằng cách làm chậm các nguyên tử xuống. Sóng vô tuyến cắt đi những thành viên ấm nhất trong nhóm, làm giảm thêm nhiệt độ trung bình. Cuối cùng, các nguyên tử được giải phóng khỏi bẫy từ tính và được phép mở rộng. Điều này gây ra sự sụt giảm áp lực, đến lượt nó, tự nhiên gây ra sự sụt giảm nhiệt độ khác của đám mây (hiện tượng tương tự làm cho một lon khí nén cảm thấy lạnh sau khi sử dụng). Trong không gian, đám mây đã mở rộng lâu hơn và do đó đạt đến nhiệt độ thấp hơn cả những gì có thể đạt được trên Trái đất – xuống khoảng một phần mười của một độ trên độ không tuyệt đối, thậm chí có thể thấp hơn.

Các cơ sở nguyên tử Ultracold trên Trái đất thường chiếm toàn bộ một căn phòng, và trong hầu hết, phần cứng được để lộ để các nhà khoa học có thể điều chỉnh bộ máy nếu cần. Xây dựng một phòng thí nghiệm nguyên tử lạnh cho không gian đặt ra một số thách thức thiết kế, một số trong đó thay đổi bản chất cơ bản của các cơ sở này. Đầu tiên, có vấn đề về kích thước: CAL bay đến nhà ga thành hai mảnh – một hộp kim loại lớn hơn một chút so với minifridge và cái thứ hai có kích thước của một chiếc vali xách tay. Thứ hai, CAL được thiết kế để hoạt động từ xa Trái đất, do đó, nó được xây dựng như một cơ sở hoàn toàn khép kín.

CAL cũng có một số công nghệ chưa từng bay trong không gian trước đây, chẳng hạn như các tế bào chân không chuyên dụng có chứa các nguyên tử, phải được niêm phong chặt đến mức hầu như không có nguyên tử đi lạc nào có thể bị rò rỉ. Phòng thí nghiệm cần có thể chịu được. sự rung chuyển của vụ phóng và lực lượng cực đoan có kinh nghiệm trong chuyến bay đến trạm vũ trụ. Phải mất vài năm để các nhóm phát triển phần cứng độc đáo có thể đáp ứng nhu cầu chính xác cho các nguyên tử làm mát trong không gian.

“Một số phần của hệ thống yêu cầu thiết kế lại, và một số phần đã phá vỡ theo cách chúng ta chưa từng thấy trước đây”, Robert Shotwell, kỹ sư trưởng của Ban quản lý dự án thiên văn, vật lý và công nghệ vũ trụ của JPL, cho biết. “Cơ sở đã phải bị xé nát hoàn toàn và lắp ráp lại ba lần.”

Tất cả công việc khó khăn và giải quyết vấn đề kể từ khi bắt đầu nhiệm vụ vào năm 2012 đã biến tầm nhìn của đội CAL thành hiện thực vào tháng 5 vừa qua. Các thành viên của nhóm CAL đã nói chuyện qua video trực tiếp với các phi hành gia Ricky Arnold và Drew Feustel trên tàu vũ trụ quốc tế để lắp đặt Phòng thí nghiệm nguyên tử lạnh, cơ sở nguyên tử siêu âm thứ hai từng hoạt động trong không gian, đầu tiên tiếp cận quỹ đạo Trái đất và đầu tiên ở lại quỹ đạo Trái đất không gian trong hơn một vài phút. Trên đường đi, CAL cũng đã đáp ứng các yêu cầu tối thiểu mà NASA đặt ra để coi nhiệm vụ là thành công và đang cung cấp một công cụ độc đáo để khám phá những bí ẩn của thiên nhiên.

Được thiết kế và xây dựng tại JPL, CAL được tài trợ bởi Chương trình Trạm vũ trụ quốc tế tại Trung tâm vũ trụ Johnson của NASA ở Houston và Phòng nghiên cứu và ứng dụng khoa học vật lý và cuộc sống vũ trụ (SLPSRA) của Ban giám đốc hoạt động khám phá và khám phá con người của NASA tại Trụ sở của NASA ở Washington .

Nguồn tin tức:

Tài liệu được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm Động cơ phản lực của NASA / Jet . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.