Pozor! Používáte zastaralý prohlížeč, stránka se nemusí zobrazovat správně. Aktualizujte jej a zlepšete tak svůj uživatelský zážitek.

Matfyz.cz

Aktuality z fyziky X

Geofyzici si prostříleli cestu až na dno tektonických desek (foto FreeImages)

Dnes budete mít příležitost uvědomit si, odkud kam až sahá fyzika a že vlastně žádná hranice neexistuje. A pokud se první příběh z Vesmíru skutečně potvrdí, bude ve fyzice zase pěkná mela. Když přeskočíme z vesmírných dálek hluboko pod zemský povrch, najdeme tam skoro stejně velké překvapení. No a nakonec něco praktického pro doktory a hlavně pro pacienty.

Temná hmota objevena uvnitř Mléčné dráhy

Mezinárodní tým astronomů nalezl dosud nejpřesvědčivější důkaz toho, že vnitřní jádro Mléčné dráhy obsahuje značné množství temné hmoty. A co je to vlastně ta temná hmota? To bohužel zatím nevíme. Je to označení pro hypotetickou formu hmoty, která musí existovat, pokud chceme vysvětlit nesrovnalosti mezi pozorovanými a vypočítanými hodnotami řady základních fyzikálních veličin. Pozorovat ji můžeme jen nepřímo, a to v důsledku jejího gravitačního působení na naši „obyčejnou“ svítící hmotu. Šokující jsou poměry množství těchto forem hmoty ve vesmíru. Té naší, svítící hmoty, jsou jen 4 %, té temné 23 % a zbytek tvoří něco ještě záhadnějšího, tak zvaná temná energie. Už dlouho panuje podezření, že je střed Mléčné dráhy bohatý na temnou hmotu. Až teď se ale podezření blíží k jistotě.

První potvrzení existence temné hmoty vyplývá z faktu, že galaxie, jako je Mléčná dráha, rotují rychleji, než kdyby byly drženy pohromadě pouze gravitačními silami mezi viditelnou hmotou, jako je plyn, prach a hvězdy. Jenže kde se vlastně temná hmota nachází, je velmi obtížné určit. Teď ale američtí, švédští a nizozemští fyzici zkombinovali data z několika nových pozorování Mléčné dráhy a porovnali je s teoretickými předpoklady určujícími rychlost rotace jádra galaxie. Tým vzal v úvahu 2 780 měření pohybu mezihvězdného prachu, hvězd a dalších mezihvězdných objektů. To poskytlo informace o rychlosti rotace ve vzdálenostech mezi 3 – 20 kiloparseky od centra galaxie (parsek je teoretická astronomická jednotka pro popis velmi dlouhých vzdáleností). Podle těchto údajů je Slunce vzdálené kolem 8 kpc od centra galaxie a zbývající objem Mléčné dráhy leží uvnitř kružnice o poloměru 18 kpc. Tým zkombinoval tyto údaje s různými úhlovými rychlostmi galaxie při různých průměrech. Pak tyto výsledky porovnal s úhlovými rychlostmi, kterých by galaxie dosáhla, kdyby neobsahovala žádnou temnou hmotu. Je to velmi obtížné, protože se nacházíme uvnitř galaxie a pohybujeme se zároveň s ní. V literatuře navíc nepanuje úplná shoda o rozložení hvězd v Mléčné dráze.

Většina astronomů dodnes pracovala s modelem „morfologického rozložení viditelné hmoty“. Zmíněný mezinárodní tým ale vzal v úvahu všechny v literatuře dosud akceptované možnosti při výpočtu rotační křivky, což je rotační rychlosti galaxie jako funkce poloměru, která by vyšla, pokud by nebyla přítomna temná hmota. Jenže žádná z takových možností neodpovídá pozorované rotační křivce. Vyplývá z toho, že žádné z možných rozložení viditelné hmoty neodpovídá celkovému množství hmoty v galaxii, v každém případě nějaká hmota chybí.

Tým spočítal rozdíl mezi pozorovanou a teoretickou rotační křivkou pro velké množství poloměrů mezi 3 – 20 kpc. Rozdíly jsou patrné pro všechny poloměry a i když je statistická odchylka při poloměru 3 kpc relativně malá, významně roste mezi 6–7 kpc. A tak vzniká problém. Získané výsledky znamenají, že existuje nezanedbatelné množství temné hmoty uvnitř poloměru 8 kpc Mléčné dráhy za předpokladu, že platí newtonovská mechanika. Toto tvrzení je zcela zásadní. Jen menšina astrofyziků navrhuje, aby se rozdíly mezi zjištěnou a teoretickou rotační křivkou vysvětlily modifikací pravidel newtonovské mechaniky na dlouhé vzdálenosti, většina je pro přítomnost temné hmoty. A tak teprve další zkoumání galaktické dynamiky definitivně rozhodne. Dalším krokem bude konstrukce dynamického modelu, který by vysvětlil naměřené hodnoty. Velké naděje se vkládají do teleskopu Gaia, který bude schopen sledovat více planet s daleko větší přesností.

Geofyzici si prostříleli cestu až na dno tektonických desek

Mezinárodnímu týmu vědců se podařilo zobrazit tenkou vrstvu s nízkou viskositou (menším vnitřním odporem) v hloubce 100 km pod úrovní Severního ostrova Nového Zélandu. Použili k tomu podzemní výbuchy dynamitu, pomocí nichž získali doteď neznámé informace o procesech na spodní straně tektonických desek a o příčinách jejich pohybu. K tomu je nejpodstatnější porozumět procesům na hranici litosféry a astenosféry. Astenosféra je silná asi 150 km a nachází se pod litosférou.

Předcházející studia v těchto hloubkách byla založena na zaznamenávání seismických vln, vznikajících při vzdálených zemětřeseních, které se odrážely od rozhraní směrem k povrchu. Vlny se štěpí na podélný a příčný mód, které se šíří různými rychlostmi. Relativní časy dosažení povrchu ukazují hloubku, v níž leží odrážející rozhraní. Tvar vlnoplochy přináší informace o ostrosti rozhraní. Jenže při délce vlny 10 – 40 km je rozlišovací schopnost metody velmi malá.

Myšlenka, že povrch Země sestává z mozaiky pohybujících se desek, je sice obecně přijímaná, nikdy ale nebylo objasněno, proč a jak se desky pohybují. Aby získali odpověď na tuto otázku, vědci z Nového Zélandu použili umělé sesismické vlny o vlnové délce kolem 0,5 km, které generovaly soustavou explozí na dně 50 m hlubokých vrtů. Podobná technika se běžně používá v naftovém průmyslu při průzkumu naftových polí. Aby mohli měřit odražené vlny, umístili 877 přenosných seismografů podél 85 km dlouhé linie na dně u Severního ostrova Nového Zélandu. To je oblast, kde se 120 milionů let stará Pacifická deska a Hikurangi plató podsouvají pod kontinentální Nový Zéland.

Původně chtěli fyzici jen zobrazit hranice mezi subdukční Pacifickou deskou a Australskou deskou, která leží nad ní. Cílem bylo dovědět se víc o rozhraní desek, které leží v hloubce 15 – 30 km, a o potenciálním nebezpečí, které hrozí blízké Wellingtonské oblasti. Obrovským překvapením bylo, když v první řadě získali koherentní odrazy od rozhraní mezi litosférou a astenosférou. A po každé explozi byli překvapeni, když se objevily odrazy z mnohem větší hloubky – až kolem 100 km.

V této hloubce odhalila analýza nejen rozhraní mezi deskou a pláštěm, ale i kanál o tloušťce 10 km. Z poklesu seismické rychlosti tým usoudil, že jde o vrstvu s nízkou viskozitou. Podobné vrstvy se mohou vyskytovat kdekoliv. Vědci předpokládají, že takové kanály by mohly být univerzální součástí rozhraní mezi litosférou a astenosférou. Objev těchto kanálů, pomocí nichž tektonické desky kloužou bez velkého odporu po astenosféře, mění pohled na pohyb těchto desek. Vzájemné podsouvání desek by mohlo být řízeno převážně jen jejich vlastní hmotností. Vrstvy by také mohly sloužit k oddělování desek od pláště a řídit tak tektoniku desek.

Výsledky jsou považovány za šokující. Na řadě je reprodukování těchto studií a zkoumání příčin vzniku takových kanálů.

Nové univerzální nanočástice pro medicínu

Nový typ nanočástic umožní, aby byl pacient vyšetřován až šesti různými způsoby injektováním pouze jedné kontrastní látky.

Nanočástice, která má průměr přibližně 74 nm, obsahuje jádro, obklopené obalem z porfyrinu-fosfolipidu (PoP). Každá z těchto částí má vlastnosti, které umožňují použít různé zobrazovací módy. Pokud se složky jádra ozáří zářením v blízké infračervené oblasti, vyzařují modré světlo. To umožňuje zobrazování v případech, kdy je třeba, aby záření proniklo hluboko do tkáně. Navíc složky jádra obsahující ytterbium, které má velkou hustotu elektronů, umožňují použít počítačovou tomografii. Vnější PoP slupka má biofotonické vlastnosti, které ji činí vhodnou jak pro fluorescenční, tak i pro fotoakustické zobrazování. Afinita mědi v porfyrinovém obalu zároveň umožňuje, aby byly nanočástice snadno překryty radioaktivní mědí Cu-64 pro účely PET (pozitronové emisní tomografie) a Čerenkovovy luminiscence. Tým testoval všechny zobrazovací metody in vitro a postupně na drůbežích tkáních, aby bylo možno určit, jak se signál průchodem tkání zeslabuje.

Fotoakustické zobrazování poskytuje informace o vnitřních krevních cestách, zatímco CT (počítačová tomografie) poskytuje informace o lokální struktuře cév. CT a PET skenování poskytuje informace z největší hloubky tkáně (proniká nejhlouběji), zatímco fluorescenční zobrazování poskytuje přídavné informace o pronikání nanočástic do buněk.

Současně s výhodnou kompatibilitou nanočástic pro různé zobrazovací metody poukazují vědci na to, že jejich částice jsou – v porovnání s ostatními kontrastními látkami – levné a jednoduché pro výrobu. Další výhodou těchto částic je, že umožňují biomedicínské zobrazování v různých rozměrech, od jednotlivých molekul přes buňky a přes zobrazení jednotlivých orgánů až po zobrazení celého těla. Zobrazovací zařízení, které by umělo provádět najednou všech šest základních zobrazovacích metod sice zatím neexistuje, vědci jsou ale optimističtí a věří, že se brzy objeví zařízení, které by umělo alespoň několik metod najednou a které by tak dokonale využilo vlastnosti nových nanočástic. Naštěstí na tomto výzkumu pracuje řada laboratoří a sdružit třeba jen optické metody v jednom zařízení by neměl být v nejbližší době velký problém.

Původní materiály byly uveřejněny v časopisech Advanced Materials, Nature a Nature Physics.


Další díly:

Aktuality z fyziky XVII
Aktuality z fyziky XVI
Aktuality z fyziky XV
Aktuality z fyziky XIV
Aktuality z fyziky XIII
Aktuality z fyziky XII
Aktuality z fyziky XI
Aktuality z fyziky IX
Aktuality z fyziky VIII
„Top ten“ fyziky v roce 2014
Aktuality z fyziky VII
Aktuality z fyziky VI
Aktuality z fyziky V
Aktuality z fyziky IV
Aktuality z fyziky III
Aktuality z fyziky II
Aktuality z fyziky I

Další obrázky
comments powered by Disqus

Matfyz.cz

Univerzita Karlova
Matematicko-fyzikální fakulta
Ke Karlovu 3
121 16  Praha 2
IČ: 00216208
DIČ: CZ00216208
web fakulty
studuj na Matfyzu
e-shop