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

Matfyz.cz

Aktuality z fyziky XI

Může Slunce zachycovat temnou hmotu? (foto NASA/SDO)

Tisíckrát jste si říkali, že nepodlehnete diktátu paní Módy a nebudete se jejími vrtochy řídit. Pravděpodobně jste ale nevydrželi. A teď se zdá, že móda zasahuje i do fyziky. Nápadně často se vyskytuje temná hmota, tak proč bychom si neudělali takový miniseriálek? Chlazení teplem určitě také stojí za zmínku. A nakonec nemůžeme nechat bez nějakého dalšího povzbuzení ani naše moudré pány doktory.

Může Slunce zachycovat temnou hmotu?

Mezinárodní tým fyziků ve své nejnovější práci tvrdí, že dosud nevysvětlené rozpory mezi matematickým modelem Slunce a astronomickými pozorováními by se daly vyřešit přítomností temné hmoty ve Slunci. Nový teoretický model, který tým vypracoval, se od konvenčního modelu podstatně liší. Je založen na hypotetické přítomnosti temné hmoty, která má ale zvláštní chování. Její interakce s normální hmotou je závislá na hybnosti interagujících částic. Nový model vysvětluje pozorované údaje mnohem lépe než modely dosavadní, a tak fyzici věří, že částice, které v modelu postulují, by se mohly reálně objevit buď přímým pozorováním, nebo v urychlovači částic.

Nedávno fyzici pozměnili odhady množství prvků, které se nacházejí na Slunci a které jsou těžší než vodík nebo helium. Vycházejí z nové interpretace spektroskopických údajů. Když se ale nové odhady aplikují na současný matematický model Slunce, vzniká řada rozporů. Jde hlavně o periodické změny velikosti Slunce, zjištěné pomocí akustických tlakových vln tak zvanou helioseismologií. Ta studuje vnitřek Slunce pozorováním a analýzou oscilací na jeho povrchu. Vnitřní vrstvy Slunce jsou totiž neprůhledné pro elektromagnetické záření, zatímco pro zvukové vlny jsou „průhledné“. Aby se všechny rozpory mohly vysvětlit, bylo by potřeba zjistit, jakým mechanismem se dostává teplo z vnitřku Slunce na jeho povrch. Jednou z možností je předpoklad, že Slunce obsahuje temnou hmotu, kterou zachycuje, když prochází galaktickým halo. To je oblast obklopující spirální galaxie včetně Mléčné dráhy a podle dosavadních předpokladů je složena z hvězd, plynu a temné hmoty. Ta by teoreticky mohla přenášet teplo z vnitřku Slunce na jeho vnější, chladnější povrch.

Fyzici již postulovali řadu kandidátů na temnou hmotu od slabě interagujících hmotných částic (WIMOs) a axionů až k supersymetrickým částicím, jako jsou hypotetická neutralina. Pro většinu z těchto hypotetických částic platí, že pravděpodobnost interakce dvou částic je nezávislá na velikosti hybnosti předané při takové interakci. Nedávno byla ale vypracována novější teorie obsahující asymetrickou temnou hmotu, kde má každá částice svoji antičástici. A některé z těchto modelů dovolují právě interakci, která závisí na druhé mocnině předané hybnosti.

Fyzici posuzují různé vlastnosti Slunce, jako jsou rychlost akustických vln, šířících se Sluncem, nebo třeba intenzita neutrin vystřelovaných ze Slunce. Tyto hodnoty porovnávají se standardním solárním modelem a s modelem, který předpokládá temnou hmotu. Ta interaguje s normální hmotou třemi možnými způsoby. Ve dvou z nich je interakce nezávislá na hybnosti, zatímco ve třetím je úměrná druhé mocnině hybnosti.

Interakce závislá na hybnosti poskytuje velmi dobrou shodu, pokud mají částice temné hmoty hmotnost kolem 3 GeV, zatímco ostatní modely se ani vzdáleně nepřibližují experimentálně zjištěným hodnotám. Částice, jejichž interakce je závislá na hybnosti, mají delší střední volnou dráhu uvnitř Slunce, a mohou tedy přenášet teplo do vrchních vrstev Slunce daleko efektivněji. Pravděpodobně se bude jednat o zcela nový typ interakce.

Fyzici doufají, že se jim podaří nový model dále rozvinout. Následující experimenty na LHC (Large Hadron Collider) v CERN a v podzemních detektorech temné hmoty (např. SuperCDMS) buď potvrdí, nebo vyvrátí existenci takových částic. Jsme velmi blízko odhalení, jestli jde skutečně o potvrzení existence temné hmoty nebo pouze o něco, co jen matematicky vypadá jako temná hmota, nebo dokonce o něco daleko rafinovanějšího.

Nový způsob, jak chladit velké objekty světlem

Chladit teplem? Je to tak, fyzika denně přináší další a další šoky. Už v roce 2011 k tomuto překvapujícímu tvrzení došli němečtí fyzici, kteří ukázali, že rychlost chlazení může být někdy zvýšena umístěním systému do kontaktu s horkým objektem. Už od osmdesátých let se fyzici pokoušeli chladit atomy plynů použitím koherentního laserového světla. Metoda pracuje na základě toho, že atomy absorbují a emitují fotony tak, že postupně ztrácejí hybnost. Funguje to ovšem pouze s koherentním světlem. Pokud světlo není koherentní, atomy se jednoduše ohřívají.

Teď němečtí fyzici spolu s ruskými kolegy předvedli novou techniku chlazení makroskopických objektů laserovým zářením. Využili šumu v optické dutině, který normálně objekt ohřívá, a vytvořili „stabilní optické pružiny“, které mohou zvyšovat citlivost detektorů gravitačních vln a mohou být využity k vytváření velkých kvantově-mechanických oscilátorů pro studium kvantových vlastností makroskopických objektů nebo ke konstrukci kvantových počítačů.

Fyzici už znají cestu ke chlazení malých zrcadel tím, že je umístí do optické dutiny. Teplé zrcadlo vibruje a přitom se vytváří řada postranních pásem, které rezonují se světlem na určitých frekvencích. První spodní postranní pásmo má frekvenci rovnou rozdílu mezi rezonanční frekvencí dutiny a vibrační frekvencí zrcadla. Takže pokud foton této frekvence vnikne do dutiny, může být absorbován a znovu emitován spolu s kvantem vibrační energie. Výsledkem tohoto procesu je, že se zrcadlo chladí. Ztrácí totiž energii.

Tento proces tzv. disperzního spojení funguje nejlépe, když je šířka pásma dutiny mnohem menší než vibrační frekvence zrcadla. To je možné pro relativně malá zrcadla s vibračními frekvencemi v oblasti stovek megahertzů. Ovšem pro větší zrcadla s vibrační frekvencí v řádu stovek kilohertzů nejsou optické dutiny s dostatečně úzkou šířkou pásma prakticky dostupné.

Teď ale přišli fyzici s novou technikou, která se dá použít i na větší objekty s nízkými vibračními frekvencemi. Zahrnuje navíc dissipativní (rozptylové) spojení, které využívá kvantový výstřelový šum v laserovém světle. Ten je normálně absorbován zrcadlem a zahřívá ho. Jenže v navrhovaném systému se šum může dostat na zrcadlo dvěma způsoby a interference může být konstruktivní nebo destruktivní. Destruktivní interference může zastavit proces ohřívání zrcadla, ale nebrání tomu, aby zrcadlo ztrácelo energii. Výsledným efektem je výrazné chlazení zrcadla. Důležité je, že systém se dá použít k chlazení velkých zrcadel s nízkými vibračními frekvencemi.

Použitím kombinace dispersního a dissipativního chlazení je možno ochladit zrcadlo z pokojové teploty až na 126 mK. Vznikne kvantový oscilátor, který může obsahovat miliardy atomů a který se může využít ke studiu kvantové mechaniky na makroskopických objektech. Jiná aplikace je použití takových oscilátorů jako součástí kvantových počítačů a jiných systémů kvantové informatiky.

Ovšem chlazení předmětů nebylo při vývoji této nové metody hlavním cílem. Cílem bylo ukázat, jak světlo interaguje s oscilujícím zrcadlem uvnitř detektoru gravitačních vln – to znamená vytvoření stabilní optické pružiny, pomocí níž zrcadlo, na které dopadá laserové světlo, stabilně osciluje. Gravitační vlny procházející zrcadlem způsobí malé odchylky oscilací, které se dají detekovat interferometrem. Problémem je, že šum v systému ohřívá zrcadlo a vibrace zkresluje. Proto je měření se stávajícími systémy extrémně obtížné a proto bylo nutno odstranit nekontrolovatelné ohřívání zrcadla. Postupným cílem je vytvořit stabilní optickou pružinu použitím 100g kyvadla jako zrcadla v malém interferometru. Konečným cílem je ale použít zrcadlo o hmotnosti kolem 40 kg v detektoru gravitačních vln, a to co nejdříve.

Zlaté nanotrubice smaží nádorové buňky

Fyzici z univerzity v Leedsu ukázali, že zlaté nanotrubice spolu se zářením v blízké infračervené oblasti mohou účinně ničit nádorové buňky. Trubicovité nanočástice mohou být navíc použity jako dopravník léků i pro zobrazování buněk s vysokou rozlišovací schopností.

Všechny živé buňky se dají zničit zahříváním. Pro ničení buněk, odolných vůči chemoterapii se skutečně používá radiofrekvenční záření nebo intenzivní fokusovaný ultrazvuk. A teď přišli fyzici z Leedsu na to, že ještě lépe mohou fungovat zlaté nanotrubice, osvětlené zářením v blízké infračervené oblasti.

Fyzici jsou schopni řídit délku nanotrubic tak, aby co nejlépe absorbovaly infračervené záření. Absorbované světlo tyto trubice ohřívá a použitím koherentních laserových pulsů je možno rychle zvýšit teplotu v okolí nádorových buněk tak, aby byly zničeny. Záření v blízké infračervené oblasti je pro tuto aplikaci ideální, protože dokáže proniknout několik centimetrů dovnitř tkáně. Metoda je tedy použitelná pro řadu typů nádorových onemocnění.

Nastavením jasu laserového pulsu mohou fyzici navíc nanotrubice použít nejen k ničení nádorových buněk, ale i k jejich přesnému zobrazování. K tomu používají novou metodu, která se jmenuje multispektrální optoakustická tomografie. Ta detekuje zlaté nanočástice, které byly předem intravenózně zavedeny. Zatím se sice používala pouze zvířecí tkáň, metoda si ale klade za cíl rychle proniknout i do humánní medicíny. Zlaté nanotrubice se shromažďují v místě nádoru, a to je pro ničení nemocných buněk velká výhoda. Je to poprvé, kdy byly zlaté nanotrubice, absorbující v blízké infračervené oblasti spektra, použity v biomedicínské aplikaci.

Protože nanotrubice jsou duté, mohou být naplněny léky ničícimi nádorové buňky. Zkombinování zaměření a lokalizace umožňuje uvolnění léků právě v místě, kde je to potřeba, a to s minimálním toxickým zatížením pacienta. Fyzici také zjistili, že organismus vyloučí zlaté nanotrubice během 72 hodin, takže nejsou pro zdravé části organismu toxické. To je pro rozvoj boimedicínských aplikací velmi důležité. Nanotrubice jsou zvenku pokryty vrstvou odolné umělé hmoty, takže jsou i z tohoto hlediska v době, kdy se nacházejí v krevním řečišti, méně toxické.

I když se už v těchto biologických aplikacích dělaly různé pokusy s nanotyčinkami nebo s jinými nanočásticemi, nová je v této práci možnost zlepšení účinnosti metody změnou tvaru nebo morfologie použitých nanostruktur.

Práce byly převzaty z Physical Review Letters a Advanced Functional Materials.


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 X
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