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

Matfyz.cz

Aktuality z fyziky XXII

Infračervený spektrometr sondy New Horizons zmapovala metanový led, zvaný také „hořící led“, na Plutu (foto: NASA/JHUAPL/SWRI)

Bude se měnit teorie relativity? Zní to hrozně, ale vždyť i sám Einstein možnost jejího určitého zdokonalení předpovídal. A gravitační vlny se s fyziky stále nechtějí kamarádit. V praktickém životě zbývá mnoho jiných, daleko „přízemnějších“ problémů a jeden z nich teď vyřešili američtí fyzici. A nakonec se podíváme, jak to vypadá na Plutu.

Kam se podělo kosmické dunění při spojování černých děr?

Co se tedy stalo? Mezinárodní tým astronomů po jedenáctiletém pozorování rádio-teleskopem neuspěl v hledání důkazu existence gravitačních vln. Rádio-teleskop se liší od optického tím, že pracuje v rádiové oblasti spektra, ve kterém detekuje data z rádio-emitujících zdrojů. Rádiové vlny jsou částí spektra elektromagnetického záření s vlnovou délkou od 1 mm až po tisíce kilometrů. A astronomové si teď drbou hlavy. Očekávali totiž, že zaznamenají modulaci času příchodu signálů pulsaru, způsobenou gravitačními vlnami z binárních supermasivních černých děr (SMBH). Jenže výsledek je nulový.

Gravitační vlny by měly totiž vznikat tam, kde se nerovnoměrně mění poloha nebo tvar hmotného objektu. Gravitační vlny se do jisté míry podobají vlnám elektromagnetickým. Elektromagnetická vlna však dokáže rozkmitat jen elektricky nabité částice, zatímco vlna gravitační představuje změny geometrie prostoročasu a může tedy rozkmitat každou hmotu. Gravitace je nejslabší interakcí v přírodě, normálně jsou gravitační vlny prakticky neměřitelné. Silnější gravitační vlny mohou vznikat jen při extrémním nahromadění hmoty a za působení velmi silných gravitačních polí u některých objektů ve vesmíru. Proto se astrofyzici soustředili na černé díry.

Supermasivní černé díry mají hmotnost přesahující hmotnost milionu našich Sluncí a existují ve středu mnoha galaxií. Když galaxie kolidují, jejich dvě supermasivní černé díry vytvoří rotující binární systém, který se nakonec spojí do jedné supermasivní černé díry. Když se k sobě obě černé díry přibližují, jejich gravitační potenciální energie je vysílána ven ve formě gravitačních vln. Tyto vlny představují zvlnění prostoročasu, které předpověděl Einstein v obecné teorii relativity, ale astronomové je dosud nedokázali detekovat.

Jednou z možností, která se nabízí pro detekování gravitačních vln, je zjišťování jejich vlivu na signál, který přichází z milisekundových pulsarů. Tyto kosmické časomíry vysílají pulsy radiových vln na extrémně stabilních frekvencích, některé dokonce stabilitou předčí atomové hodiny. Pokud se signál z pulsaru po cestě potká s gravitačními vlnami z binárního systému, pak se vzdálenost, kterou musí některé pulsy proběhnout, zkrátí nebo prodlouží o přibližně deset metrů. Je to sice v kosmických měřítcích nepatrná délka, nicméně by se měla projevit nepatrnou relativní změnou času příchodu po sobě následujících pul­sů.

Citlivost takového měření roste s počtem monitorovaných pulsarů. Jeden z takových projektů běží na observatoři Parkers Observatory v Austrálii a jmenuje se Parkes Pulsar Timing Array. Teď astronomové, kteří zde pracují, zveřejnili nejnovější výsledky jejich pokusu o změření kosmického pozadí gravitačních vln. Jde o směsici gravitačních vln generovaných všemi binárními supermasivními černými děrami ve vesmíru, astronomové ho nazývají „dunění“ (rumble) pozadí.

Tým se soustředil na čtyři pulsary, o kterých je známo, že mají vysokou časovou přesnost vysílaného signálu, a jsou tedy vhodné pro případné zaregistrování gravitačních vln. Jedenáct let tým zaznamenával časy příchodu pulsů s přesností 10 miliardtin sekundy, což je doba, za kterou radiové vlny urazí vzdálenost pouhé 3 cm. Neslyšeli jsme však nic. Ani žádné „zafňukání“, říká jeden ze členů týmu. Z hlediska vln, které hledáme, je v kosmu ticho.

Proč tedy astronomové nezachytili žádný signál? Jednou z možností je podle členů týmu to, že se supermasivní černé díry spojují mnohem rychleji, než se očekávalo. Výsledkem by bylo, že dvojice má méně času na generování gravitačních vln. Astronomové, kteří na tomto projektu pracují, spekulují, že by černé díry mohl obklopovat plyn, který vytváří tření a odvádí pryč jejich energii, čímž jim umožňuje, aby se dostaly do kontaktu rychleji.

Nulový výsledek by měl znamenat další dlouhé roky pozorování. Je ale naděje, že budoucí teleskopy, jako je Square Kilometre Array, které budou k dispozici za několik málo let, budou mít větší štěstí.

Ostatní astronomové považují tyto výsledky za vzrušující. Podobné programy běží také v Evropě i v Americe. Pochopitelně, že výsledky spustily vášnivé debaty. Dají se shrnout, samozřejmě s mnoha otazníky, následovně: „Nepřišel náhodou čas přemýšlet o možnosti, že gravitační vlny neexistují, nebo alespoň ne tak, jak jsme si je představovali? Co by to znamenalo pro možnou modifikaci Obecné relativity? Ta je tak dobře prověřená, že je těžko si představit, že by mohla být nahrazena jinou teorií. Ovšem sám Einstein tvrdil, že přijde čas, kdy bude třeba jeho teorii prohloubit a přizpůsobit novým přírodním jevům.“ Takže si ještě musíme počkat.

Nové magnetické paměti

Američtí fyzici předvedli nové zařízení, které je schopno ukládat informace s využitím magnetické permeability materiálu. Zařízení je daleko spolehlivější než konvenční magnetické paměti a méně citlivé na radiační poškození. Nová metoda umožňuje vytvořit i paměť s vysokou hustotou dat.

Konvenční magnetické paměti uchovávají informace v podobě magnetizace materiálu. Magnetizace je fyzikálním jevem, při němž se těleso z feromagnetických látek v magnetickém poli zmagnetizuje a stává se magnetem. Binární bit 0 nebo 1 se zapisuje zmagnetováním materiálu, informace se později dají přečíst měřením magnetizace.

To má ale jeden velký problém. Informace zapsané magnetizací mohou být poškozeny vnějším magnetickým polem nebo i teplotními fluktuacemi. Nové paměti amerických fyziků pracují na jiném principu. Data jsou do nich ukládána změnou magnetické permeability malých oblastí materiálu. Permeabilita je míra magnetizace materiálu v důsledku působení magnetického pole. Protože to je veličina vlastní určitému materiálu, je mnohem méně náchylná k různým poškozením.

Američtí fyzici tentokrát dovedli novinku až do stádia praktického využití. Vyrobili několik prototypů, na které použili různé slitiny železa a niklu s vysokou permeabilitou. Tenké vrstvy těchto slitin nanesli na nemagnetickou podložku, a pak litografickou technikou vytvořili kruhové oblasti slitiny o průměru kolem 300 nm, které představují jednotlivé datové bity.

Každý datový bit má amorfní strukturu a vysokou magnetickou permeabilitu. Když je bit zahříván laserem po dobu asi 100 mikrosekund, po ochlazení má strukturu krystalickou a permeabilitu mnohem menší. Zaměřením laseru na určitý bit je tedy možno zapsat informaci.

Data bylo následně možné přečíst měřením permeability jednotlivých bitů s použitím čidla založeného na magnetickém tunelovém přechodu, který pracuje na stejném principu jako čtecí hlavy moderních pevných disků. Je to speciální vertikální struktura dvou feromagnetických materiálů oddělených tenkou dielektrickou vrstvou oxidu hliníku. Čtení dat tedy znamená aplikování magnetického pole na všechny bity a jejich následné skenování tímto čidlem.

I když je v současnosti proces zápisu dat limitován vlnovou délkou laseru, technologie může být adaptována tak, aby bylo možno vytvářet bity o průměru 20 nm a méně. Permeabilita také nabízí cestu, jak obejít jev, který se nazývá superparamagne­tismus. Ten totiž může způsobit, že magnetizace velmi malého magnetického bitu náhodně změní směr. Superparamagne­tizace může sice zničit informace uložené pomocí magnetizace, ale nemá vliv na data uložená pomocí permeability.

Současný stav technologie sice umožňuje pouze jednorázové zapsání informací, takže je vhodná na příklad pro aplikace, jako jsou kreditní karty. Tým teď však pracuje na vývoji paměti, která umožňuje i přepisování dat.

Jak to vypadá na Plutu?

Strašidelně. Pluto je podivuhodným světem, kde vládne zima a mráz. Vyplývá to z obrázků a měření, které poslala na Zem sonda New Horizons. Kdyby to bylo trochu blíž, určitě by si krajinu Pluta vybrali pro své sci-fi filmy mnozí režiséři, a to bez jakýchkoliv ekonomických pobídek od vlády, která na Plutu stejně asi není. Ledovce tvořené zmrzlým dusíkem, metanem a kysličníkem uhličitým plavou mezi mohutnými horami vodního ledu. Hrůzná, ale vzrušující představa!

Pluto bylo objeveno v roce 1930. Dalších šest dekád se na něj pohlíželo jako na planetu, která se liší od ostatních planet sluneční soustavy. Zatímco Země a ostatní planety obíhají po takřka kruhové dráze v rovině ekliptiky, Pluto obíhá v rovině 17o skloněné k ekliptice a jeho dráha je daleko víc eliptická.


V jakých podobách jsme znali Pluto? (Zdroj: NASA)

Status Pluta jako planety se začal zpochybňovat v roce 1992, kdy astronomové objevili Kuiperův pás, který sahá od dráhy Neptuna 55 astronomických jednotek směrem ven z naší soustavy a je tvořen velkým množstvím malých planetek a různých malých protoplanetárních objektů. V roce 2006 se Mezinárodní Astronomická Unie dohodla, že Pluto nesplňuje kriteria, kterými je definována planeta, a reklasifikovala Pluta na trpasličí planetu, čímž velice roztrpčila řadu renomovaných astronomů.

Sonda New Horizons, součást úspěšné mise NASA, se nedávno přiblížila až na pouhých 12,5 tisíce kilometrů k trpasličí planetě. Z údajů, které sonda vyslala, vyplývá, že povrch Pluta je velmi rozmanitý. Terén je složen z oblastí různých tvarů a stáří, které mají různou schopnost odrážet světlo (albedo), různé působivé barvy a různé složení. Pluto má kůru bohatou na zmrzlou vodu.

Multispektrální kamera (MVIC) na palubě sondy zachytila barevný obrázek povrchu Pluta. Kolem rovníku se rozprostírá tmavě červená oblast, která přechází v jasnější oblasti zabarvené do modra ve větších zeměpisných šířkách. Obrovská oblast tvaru srdce (že by snad srdce bylo v celém vesmíru symbolem lásky?), kterou astronomové nazvali Tombaugh Regio, mění barvy od východu k západu.

Západní část této oblasti byla nazvána Sputnik Planum a neobsahuje, na rozdíl od ostatních částí povrchu, žádné krátery. Hladká rovina byla pravděpodobně vytvořena poměrně nedávno neustále probíhající geologickou aktivitou.

Sputnik Planum se skládá z mnohoúhelníkových a oválných buněk, které mají v průměru desítky kilometrů a které jsou odděleny mělkými údolími, širokými dva až tři kilometry. Astronomové soudí, že rovina obsahuje zmrzlý dusík, metan a kysličník uhličitý. Tvary těchto ledových oblastí napovídají, že to jsou ledovce, které tečou kolem vrcholků z vodního ledu skoro stejně, jako tečou ledovce ve velehorách na naší Zemi. Svahy a údolí dlouhé až 600 km vznikly pravděpodobně také poměrně nedávno.

Měření délky stínů ukazují, že na Plutu ční vrcholy hor 2 až 3 km nad okolní povrch. Pod nimi je pevný podklad, tvořený většinou zmrzlou vodou. Zmrzlý dusík, metan a kysličník uhličitý tvoří pravděpodobně jen tenký povlak na povrchu.

Načervenalé zabarvení signalizuje přítomnost organických sloučenin nazývaných tholiny. Jsou to složité organické látky, které se rozpouštějí ve vodě a uvolňují aminokyseliny. Na Zemi se nevyskytují, protože by je kyslík v atmosféře zničil. Vznikají, když ultrafialové záření nebo radioaktivní částice ozáří směs metanu, dusíku a oxidu uhlíku.

Překvapujícím zjištěním bylo, že Pluto má atmosféru, která sahá až 300 kilometrů nad jeho povrch. Atmosféra obsahuje dusík, metan a ostatní hydrokarbonáty a také jemnou mlhu prachových částic.

Studiu byl podroben i největší měsíc Pluta, Charon. Ten má poloměr 606 km, zatímco samotné Pluto má poloměr 1 187 km. Stejně jako povrch Pluta má i povrch Charonu velmi rozmanitou strukturu, vedle hor se nacházejí planiny hladké i s hlubokými krátery. I dva z dalších čtyř měsíců Pluta, Nix a Hydra, mají podobný povrch, jen Nix má velké krátery, které mají jinou barvu než zbytek povrchu tohoto měsíce.

Původní materiály byly uveřejněny v Journal of Physics D: Applied Physics, Science a Physics World.


Další díly:

Aktuality z fyziky XXI
Aktuality z fyziky XX
Aktuality z fyziky XIX
Aktuality z fyziky XVIII
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 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