Ondanks tientallen jaren van lopend onderzoek proberen wetenschappers te begrijpen hoe de vier fundamentele krachten van het heelal in elkaar passen. Terwijl de kwantummechanica kan verklaren hoe drie van deze krachten samenwerken op de kleinste schaal (elektromagnetisme, zwakke en sterke kernkrachten), legt General Relativity uit hoe dingen zich gedragen op de grootste schaal (d.w.z. zwaartekracht). In dit opzicht blijft de zwaartekracht de steun.
Om te begrijpen hoe zwaartekracht op de kleinste schaal met materie interageert, hebben wetenschappers een aantal zeer geavanceerde experimenten ontwikkeld. Een daarvan is NASA's Cold Atom Laboratory (CAL), aan boord van het ISS, dat onlangs een mijlpaal bereikte door atomenwolken te creëren die bekend staan als Bose-Einstein-condensaten (BEC's). Dit was de eerste keer dat BEC's in een baan om de aarde werden gemaakt en biedt nieuwe mogelijkheden om de natuurwetten te onderzoeken.
Oorspronkelijk voorspeld door Satyendra Nath Bose en Albert Einstein 71 jaar geleden, zijn BEC's in wezen ultrakoude atomen die temperaturen bereiken net boven het absolute nulpunt, het punt waarop atomen helemaal niet meer zouden moeten bewegen (in theorie). Deze deeltjes hebben een lange levensduur en zijn nauwkeurig gecontroleerd, waardoor ze het ideale platform zijn voor het bestuderen van kwantumverschijnselen.
Dit is het doel van de CAL-faciliteit, die ultrakoude kwantumgassen in een microzwaartekrachtomgeving moet bestuderen. Het laboratorium werd eind mei in het US Science Lab aan boord van het ISS geïnstalleerd en is het eerste in zijn soort in de ruimte. Het is ontworpen om het vermogen van wetenschappers te vergroten om nauwkeurige metingen van de zwaartekracht te maken en te bestuderen hoe het op de kleinste schaal met materie samenwerkt.
Zoals Robert Thompson, de CAL-projectwetenschapper en natuurkundige bij NASA's Jet Propulsion Laboratory, in een recent persbericht uitlegde:
“Een BEC-experiment laten draaien op het ruimtestation is een droom die uitkomt. Het was een lange, moeilijke weg om hier te komen, maar het is absoluut de moeite waard, omdat we zoveel kunnen doen met deze faciliteit. "
Ongeveer twee weken geleden bevestigden CAL-wetenschappers dat de faciliteit BEC's had geproduceerd uit atomen van rubidium - een zacht, zilverwit metaalelement in de alkaligroep. Volgens hun rapport hadden ze temperaturen zo laag als 100 nanoKelvin bereikt, een tien miljoen van een Kelvin boven het absolute nulpunt (-273 ° C; -459 ° F). Dit is ongeveer 3 K (-270 ° C; -454 ° F) kouder dan de gemiddelde ruimtetemperatuur.
Vanwege hun unieke gedrag worden BEC's gekarakteriseerd als een vijfde toestand van materie, onderscheiden van gassen, vloeistoffen, vaste stoffen en plasma. In BEC's werken atomen meer als golven dan als deeltjes op macroscopische schaal, terwijl dit gedrag meestal alleen waarneembaar is op microscopische schaal. Bovendien nemen de atomen allemaal hun laagste energietoestand aan en nemen ze dezelfde golfidentiteit aan, waardoor ze niet van elkaar te onderscheiden zijn.
Kortom, de atoomwolken gaan zich gedragen als een enkel "superatoom" in plaats van individuele atomen, waardoor ze gemakkelijker te bestuderen zijn. De eerste BEC's werden in 1995 in een laboratorium geproduceerd door een wetenschappelijk team bestaande uit Eric Cornell, Carl Wieman en Wolfgang Ketterle, die de Nobelprijs voor natuurkunde 2001 deelden voor hun prestatie. Sinds die tijd zijn er honderden BEC-experimenten uitgevoerd op aarde en sommige zijn zelfs de ruimte ingestuurd aan boord van klinkende raketten.
Maar de CAL-faciliteit is uniek omdat het de eerste in zijn soort is op het ISS, waar wetenschappers gedurende lange perioden dagelijkse studies kunnen uitvoeren. De faciliteit bestaat uit twee gestandaardiseerde containers, die bestaan uit de grotere “quad locker” en de kleinere “single locker”. De quad locker bevat het fysica-pakket van CAL, het compartiment waar CAL wolken ultrakoude atomen zal produceren.
Dit wordt gedaan door magnetische velden of gefocusseerde lasers te gebruiken om wrijvingsloze containers te creëren die bekend staan als "atoomvallen". Terwijl de atoomwolk in de atoomval decomprimeert, daalt de temperatuur van nature en wordt het kouder naarmate hij langer in de val blijft. Op aarde, wanneer deze vallen zijn uitgeschakeld, zorgen de zwaartekracht ervoor dat de atomen weer gaan bewegen, wat betekent dat ze slechts een fractie van een seconde kunnen worden bestudeerd.
Aan boord van het ISS, een omgeving met microzwaartekracht, kunnen BEC's decomprimeren tot koudere temperaturen dan met welk instrument dan ook op aarde en wetenschappers kunnen individuele BEC's vijf tot tien seconden per keer observeren en deze metingen tot zes uur per dag herhalen. En aangezien de faciliteit op afstand wordt bestuurd vanuit het Earth Orbiting Missions Operation Center in JPL, is er voor dagelijkse operaties geen interventie nodig van astronauten aan boord van het station.
Robert Shotwell, de hoofdingenieur van het directoraat Sterrenkunde en Natuurkunde van JPL, heeft sinds februari 2017 toezicht gehouden op het project. Zoals hij aangaf in een recent NASA-persbericht:
“CAL is een uiterst ingewikkeld instrument. BEC-experimenten omvatten doorgaans voldoende apparatuur om een kamer te vullen en vereisen bijna constante monitoring door wetenschappers, terwijl CAL ongeveer de grootte heeft van een kleine koelkast en op afstand kan worden bediend vanaf de aarde. Het was een worsteling en vergde aanzienlijke inspanningen om alle hindernissen te overwinnen die nodig zijn om de geavanceerde faciliteit te produceren die vandaag op het ruimtestation draait. "
Wat de toekomst betreft, willen de CAL-wetenschappers nog verder gaan en temperaturen bereiken die lager zijn dan alles wat op aarde wordt bereikt. Naast rubidium werkt het CAL-team ook aan het maken van BECS's met twee verschillende isotopen van kaliumatomen. Op dit moment bevindt CAL zich nog in een inbedrijfstellingsfase, die bestaat uit het operationele team dat een lange reeks tests uitvoert om te zien hoe de CAL-faciliteit in microzwaartekracht zal werken.
Zodra het echter eenmaal draait, zullen vijf wetenschappelijke groepen - waaronder groepen onder leiding van Cornell en Ketterle - gedurende het eerste jaar experimenten uitvoeren in de faciliteit. De wetenschappelijke fase begint naar verwachting begin september en duurt drie jaar. Zoals Kamal Oudrhiri, JPL's missiemanager voor CAL, het zei:
“Er staat een wereldwijd team van wetenschappers klaar en enthousiast om deze faciliteit te gebruiken. Het diverse scala aan experimenten dat ze van plan zijn uit te voeren, betekent dat er veel technieken zijn om de atomen te manipuleren en af te koelen die we moeten aanpassen voor microzwaartekracht, voordat we het instrument overdragen aan de hoofdonderzoekers om wetenschappelijke operaties te beginnen. ”
Na verloop van tijd kan het Cold Atom Lab (CAL) wetenschappers helpen te begrijpen hoe de zwaartekracht werkt op de kleinste schaal. Gecombineerd met hoogenergetische experimenten uitgevoerd door CERN en andere deeltjesfysica-laboratoria over de hele wereld, zou dit uiteindelijk kunnen leiden tot een Theory of Everything (ToE) en een volledig begrip van hoe het universum werkt.
En zorg ervoor dat je ook deze coole video (geen woordspeling!) Van de CAL-faciliteit bekijkt, met dank aan NASA:
