Každý jistě slyšel o novách, supernovách a nebo hypernovách. Zpravidla jde o velkolepé divadlo odehrávající se v závěrečných fázích hvězdného vývoje, při kterém se z různých fyzikálních příčin do okolí hvězdy rozmetá její materiál. Před deseti lety ale jen málokdo tušil, že obdobný jev bude možné uskutečnit na laboratorním stole. Explodující bosonový kondenzát neboli bosenova se stal nedílnou součástí výzkumu posledních let.
|
Nova – hvězda malé svítivosti, která prudce zvýší jas během několika hodin či dnů až o 4 řády. Důvodem je překotná termonukleární reakce na povrchu způsobená materiálem bohatým na vodík, který na povrch přetéká z průvodce. Svítivost v průběhu několika měsíců klesá na původní hodnotu. Zbytky odhozené obálky se nazývají planetární mlhoviny. Rekurentní novou nazýváme hvězdu, jejíž záblesky se nepravidelně opakují v průběhu řádově desítek let. Supernova – rozmetání podstatné části hvězdy, při kterém vznikne extrémně jasný objekt. Jeho svítivost posléze klesá v průběhu týdnů či měsíců. K tomuto konci vedou dvě možné cesty: buďto se jedná o velmi hmotnou hvězdu, která ve svém jádře vyčerpala zásoby paliva a začala se hroutit pod silou své vlastní gravitace na neutronovou hvězdu, nebo o bílého trpaslíka, který nahromadil materiál od svého hvězdného průvodce, dosáhl Chandrasekharovy meze a prodělal objemovou termonukleární explozi. Hypernova – zhroucení extrémně hmotné hvězdy (tzv. hyperobra) přímo na černou díru, doprovázené zábleskem gama a mohutnou explozí, která je ještě výraznější než u supernovy. Svítivost objektu je srovnatelná s celou galaxií. Nejvážnějším kandidátem na hypernovu v našem okolí je v budoucnosti hyperobří hvězda Éta Carinae z naší Galaxie. |
| První bosenovy |
Podle statistického chování dělíme částice na dvě skupiny a to fermiony a bosony. Fermiony jsou částice, které sdílejí stejný kvantový stav velmi neochotně, splňují tzv. Pauliho vylučovací princip, tj. dva fermiony nemohou být ve stejném kvantovém stavu. Typickým fermionem je například elektron a výsledkem jeho "nesnášenlivosti" je bohatství atomárních obalů. Naopak bosony se se chovají jako "snášenlivé" částice, protože jich může být v jednom kvantovém stavu libovolný počet. Při velmi nízkých teplotách má každý boson ze systému tendenci zaujmout nejnižší energetický stav. Vzniká tzv. Boseho-Einsteinův kondenzát, ve kterém mají všechny bosony stejnou vlnovou funkci, V tomto podivném stavu jsou superponovány jeden boson přes druhý, vzájemně nerozlišitelné a tvoří jeden obří superatom. První bosonový kondenzát složený z atomů byl vytvořen v roce 1995. Příprava se podařila Ericu Cornellovi a Carlu Wiemanovi z JILA a Univerzity v Coloradu, kteří počátkem roku 1995 použili ke svému pokusu atomy rubidia Rb-87 ochlazené metodou laserového ochlazování až na teplotu 180 nK. Při této teplotě se po dobu asi 15 sekund vytvořil BEC, který byl složen z přibližně 2 000 atomů. Za tuto práci obdrželi Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2001.
V roce 2001 utvořili v JILA BEC z atomů rubidia Rb-85. Změnou magnetického pole, ve kterém je BEC uzavřen, bylo možné měnit charakter vlnové funkce vzájemné interakce od odpudivé po přitažlivou. BEC byl ochlazen až na pouhé 3 nK, na zatím nejnižší dosaženou teplotu. Pokud bylo magnetické pole nastaveno tak, aby interakce byla odpudivá, BEC se rozpínal přesně podle teorie. Pokud, ale magnetické pole navodilo přitažlivou interakci, došlo k očekávané implozi BEC následované prudkou neočekávanou explozí, která trvala několik tisícin sekundy. V centru exploze zůstal malý zbytek chladného kondenzátu. Přibližně polovina původních atomů kondenzátu zmizela a nebyla nalezena ani v pozůstatku ani v explodujícím plynu kolem. Celý jev se silně podobá miniaturní supernově (kolaps, exploze, chladný zbytek) a proto byl nazván bosenova. Podle údajů ve Wikipedii sehrála při pojmenování roli i podobnost slova s brazilským hudebním stylem bossa nova.
 |
| Bosenova utvořená z 10 000 atomů Rb-85. V expandující obálce je 1 500 atomů. Teplota vzorku byla 200 nK. Implodující fáze není zobrazena. Zdroj: JILA. |
| Nesférické bosenovy |
Další průlom ve výzkumu bosenov nastal letošního roku, kdy německý tým ze Stuttgartské univerzity vedený Tilmanem Pfauem zkoumal bosenovy z BEC kondenzátu atomů chrómu Cr-52. V tomto kondenzátu mají atomy silný magnetický dipólový moment a dochází zde k dipól-dipólové interakci (DDI) dlouhého dosahu. Tým studoval závislost na magnetickém poli i na tvaru magnetické pasti udržující BEC kondenzát. Za některých experimentálních podmínek došlo k interakci trojic atomů (nikoli k typické párové interakci), která výrazně ovlivnila systém. Již fáze kolapsu bosenovy by podle numerických simulací měla být nesférická a měly by se vytvořit dva vírové prstence. Ty ale dosud nebyly experimentálně pozorovány. Následující exploze má jetelovitý tvar s preferovanými směry odhozené obálky, které svědčí o DDI interakci. Z této fáze byly pořízeny fotografie, které dobře souhlasí s numerickými simulacemi.
 |
| Numerická simulace imploze (kolapsu) bosenovy při DDI interakci. Nalevo je třírozměrný obraz vzniklých dvou prstenců, napravo řez s rozložením rychlostního pole při implozi (červená barva značí vyšší rychlost). Rozměr oblasti je pouhých 2,5 μm (jde o implozi!). Zdroj: Stuttgart University, Physical Review Letters. |
 |
| Numerická simulace nesférické imploze bosenovy s DDI interakcí a počátku exploze. Nejprve se vytvoří doutníkovitý útvar a poté vzniknou dva prstence. Experimentálně není zatím možné fázi imploze ověřit. Zdroj: Stuttgart University, Physical Review Letters. |
 |
| Skutečné záběry (nahoře) a numerická simulace (dole) nesférické exploze bosenovy s DDI interakcí. Zdroj: Stuttgart University, Physical Review Letters. |
Výzkum bosenov může přispět nejenom ke znalosti chování látky za extrémně nízkých teplot, k pochopení procesů probíhajících v Bose-Einsteinově kondenzátu, ale i k porozumění exploze supernov na mnohem větších měřítkách. Oba mechanizmy si jsou velmi blízké.
BEC – Bose-Einsteinův kondenzát (Bose Einstein Condensate, BEC), stav hmoty, kdy se všechny bosony nacházejí v jediném a také nejnižším možném energetickém stavu. Tyto částice se chovají jako jeden jediný celek (mají tzv. koherentní chování), jsou popsány jednou vlnovou funkcí a mají zajímavé makroskopické vlastnosti. Někdy se pro tento stav hmoty užívá také název bosonový kondenzát, superatom či supermolekula.
Fermiony – částice, které mají poločíselný spin, vlnová funkce je antisymetrická, splňují Pauliho vylučovací princip a podléhají Fermiho–Diracovu statistickému rozdělení. Patří mezi ně všechny leptony, kvarky a baryony – například elektron, neutrino, proton, neutron. Při nízkých teplotách fermiony obsazují stavy postupně, až po tzv. Fermiho mez EF.
Bosony – částice, které mají celočíselný spin, symetrickou vlnovou funkci, nesplňují Pauliho vylučovací princip a podléhají Boseho-Einsteinově statistickému rozdělení. Například jsou to všechny skalární i vektorové mezony, fotony, gluony. Při nízkých teplotách se bosony mohou hromadit v základním stavu.
JILA – Joint Institute for Laboratory Astrophysics, americká laboratoř založená v roce 1962. Je společným pracovištěm Národního úřadu pro standardy a technologie NIST a Univerzity v Coloradu(v Boulderu). Výzkum se zabývá ultrachladnými atomy a kvantovou fyzikou, nanofyzikou, biofyzikou, laserovou technikou a astrofyzikou. Laboratoře se nacházejí na úpatí Skalistých hor a jsou součástí kampusu Univerzity v Coloradu. Z JILA pochází 6 nositelů Nobelových cen.
Laserové ochlazování – technika využívající k ochlazování atomů laserového světla s vlnovou délkou nepatrně nižší než je charakteristický elektronový přechod v atomu. Toto „podladění“ má za následek, ža atomy absorbují větší množství fotonů, pokud se pohybují směrem ke zdroji než pokud se pohybují od zdroje. Při interakci s fotonem atom ztrácí odpovídající hybnost ve směru zdroje světla. Při následném vyzáření fotonu sice hybnost opět získá, ale v náhodném směru. Mnohonásobným opakováním lze shluk atomů ochladit na milikelvinové teploty. V roce 1997 byla za tento objev udělena Stevenovi Chuovi, Claudeovi Cohen-Tannoudjimu a Williamovi Philipsovi Nobelova cena za fyziku.
BEC – Bose-Einsteinův kondenzát (Bose Einstein Condensate, BEC), stav hmoty, kdy se všechny bosony nacházejí v jediném a také nejnižším možném energetickém stavu. Tyto částice se chovají jako jeden jediný celek (mají tzv. koherentní chování), jsou popsány jednou vlnovou funkcí a mají zajímavé makroskopické vlastnosti. Někdy se pro tento stav hmoty užívá také název bosonový kondenzát, superatom či supermolekula.
