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

Matfyz.cz

Aktuality z fyziky XXXII

Poprvé v historii objevili astronomové bílého trpaslíka s kyslíkovou atmosférou (obrázek: NASA)

Není to tak běžné, aby se po zveřejnění nějakého článku v seriózním fyzikálním časopise zvedla vlna diskusí, v nichž by figurovaly emotivní výroky jako „to by mohli být mimozemšťané“ nebo „to by mohlo být umělé těleso“. Jenže teď se našel bílý trpaslík s kyslíkovou atmosférou a poprask je na světě. I naše druhé téma je dnes vzrušující. Mikroorganismy samovolně vytvářejí optické čočky a kdoví, co ještě by mohly umět. A nakonec si, abychom trochu vystřízlivěli, povíme o převratném objevu v oboru malířství a natěračství. To není žert, barvy schnou skutečně jinak, než se předpokládalo, a tak je na obzoru řada nových aplikací.

Bílý trpaslík s kyslíkovou atmosférou překvapuje astronomy

Nejprve si vysvětlíme, co je to bílý trpaslík. Není to žádná nebeská pohádková bytost, ale závěrečné stadium vývoje hvězd. I z našeho Slunce se jednou, naštěstí za hodně dlouho, stane bílý trpaslík. Jde o velmi kompaktní hvězdu střední hmotnosti, velice malých rozměrů a s počáteční velmi vysokou povrchovou teplotou. Její hmotnost se pohybuje obvykle v rozmezí 0,3 až 1,2 hmotností Slunce, průměrem se blíží průměru Země. U známých bílých trpaslíků se poloměry pohybují v rozmezí 0,008 až 0,02 poloměru Slunce.

A teď se stalo něco neočekávaného. Astronomové z Německa a z Brazílie poprvé v historii objevili bílého trpaslíka s kyslíkovou atmosférou. Objev přichází jako blesk z čistého nebe, protože kyslíkovou atmosféru nepředpokládá žádný současný teoretický model vývoje hvězd. Astrofyzici se domnívají, že původní atmosféra z vodíku a helia mohla být stržena například gravitačním působením vedlejší doprovázející hvězdy. Objev by mohl poskytnout neocenitelné informace o tom, jak se hvězdy podobné Slunci vyvíjejí a jak se v bílého trpaslíka mění.

„Je to něco vynikajícího a mimořádného!“ Takové výkřiky v astronomii zase tak často neslýcháme. Objev je skutečnou raritou, něco jako jehla v kupce sena, kterou nelze najít, ale pokud ji najdete, pak může jít o významný kousek skládačky.

Stát se bílým trpaslíkem je nezvratným osudem většiny hvězd o hmotnosti kolem desetinásobku hmotnosti Slunce. Po tom, co hvězda spálí všechno helium jadernou fúzí a zbaví se svých vnějších vrstev, vytvoří její jádro vlivem gravitace velmi hustou kouli plasmy, která je velká asi jako naše Země. Většina bílých trpaslíků není schopna slučovat uhlík, a tak má jádro z uhlíku a kyslíku. Na nejtěžších hvězdách však fúze uhlíku probíhá pravděpodobně ještě těsně předtím, než dojde k jejich zkolabování do formy bílého trpaslíka. Jádro takového trpaslíka je tvořeno kyslíkem, neonem a hořčíkem. Protože gravitace přitahuje těžší prvky směrem do jádra, převládají v atmosféře prakticky všech bílých trpaslíků lehké prvky. Kolem 80 % bílých trpaslíků má atmosféru z vodíku, zbytek pak z helia.

Aby brazilští a němečtí astronomové bílého trpaslíka s kyslíkovou atmosférou našli, museli důkladně prohledat data z Sloan Digital Sky Survey (SDSS) týkající se 4,5 milionů hvězd. Identifikovali jedinou hvězdu se složitým astronomickým označením SDSS J124043.01+671034­.68, která je vzdálená 1200 světelných let. Emisní spektrum ukazuje, že její atmosféra je z 96 % tvořena kyslíkem. Další prvky jsou neon a hořčík. Hvězda obsahuje také stopová množství křemíku, ale žádný vodík nebo helium. Podrobnou analýzou spektra a porovnáním s matematickým modelem došli astrofyzici k závěru, že hmotnost této hvězdy je přibližně polovina hmotnosti Slunce, což z ní dělá ještě větší záhadu. Hvězda, která tvoří bílého trpaslíka této hmotnosti, by totiž byla příliš malá na to, aby na ní probíhala uhlíková fúze. Bílý trpaslík by tudíž neměl obsahovat vůbec žádný kyslík.

Zúčastnění astrofyzici poukazují na to, že několik nedávno vypracovaných modelů předpokládá, že za specifických podmínek by mohla na hvězdách o malé hmotnosti (do 5,5 hmotností Slunce) probíhat fúze uhlíku a současně by se vytvářely intenzivní teplotní pulsy, které by se z centra šířily směrem ven. To samo o sobě ovšem pozorované jevy nevysvětluje. Počítačové modely sice připouštějí, že může existovat uhlíkové jádro a kyslíková atmosféra, ale nepřipouštějí, že by se ztratilo všechno helium. Hmotnost finálního bílého trpaslíka, jak vyplývá z těchto modelů, je rovna hmotnosti Slunce, a to je mnohem více, než bylo pozorováno.

Astrofyzici předpokládají, že oba tyto problémy by se daly řešit současně, pokud by byly horní vrstvy strženy a odkryly by se produkty uhlíkové fúze pod nimi. Pravděpodobnější je ale interakce s jinou hvězdou. Podle jejich názoru musí jít o binární evoluci, což je situace, kdy mají dvě hvězdy společnou obálku, a když se materiál převede do bílého trpaslíka, obálka se odfoukne a je ztracena pro obě hvězdy. Proti tomu však hovoří fakt, že podle formálních výpočtů hvězdy takové množství hmoty neztrácejí. Jako obvykle budou tedy vědci k vytvoření přesného modelu potřebovat více dat. Dobrou zprávou však je, že ta by v několika příštích letech mohla získat kosmická observatoř Gaia.

Tímto konstatováním všechno nekončí. Je tu ještě jeden, sice méně výrazný, ale nikoliv méně pozoruhodný, jev, a tím jsou stopová množství křemíku. Jaderné hoření (reakce) musí pokračovat o jeden krok déle než produkce kyslíku, neonu a hořčíku. Jenže pokud nastane toto další stádium, jaderná reakce se nezastaví, dokud nevznikne železo a nakonec neutronová hvězda. Neutronová hvězda je stárnoucí hvězda, která odtrhla své vnější vrstvy v podobě supernovy a hroutí se v důsledku gravitační síly více než bílý trpaslík. Gravitace působící na jádro hvězdy je tak silná, že vtlačuje elektrony dovnitř atomových jader, která jsou pak mnohem více nahuštěná. Typická neutronová hvězda má průměr 10 až 15 km, ale jeden kubický centimetr váží miliardy tun.

Není divu, že objev bílého trpaslíka s kyslíkovou atmosférou vyvolal mezi astrofyziky, ale nejen mezi nimi, pořádný rozruch. Výkřiky, že jde o dílo mimozemšťanů a volání po tom, aby se zkoumalo, jestli nevysílá radiové signály, se v seriózní fyzice nevyskytují často. Možná že je tato hvězda skutečně umělá, a proto nevyhovuje našim modelům. Spíše se však zdá, že stále dobře nerozumíme zákonům jaderné fúze. Objev by tak mohl vyvolat novou vlnu zájmu o tento před časem tolik upřednostňovaný obor fyziky.

Cyanobakterie (sinice) vytvářejí optické čočky

Mezinárodní vědecký tým zjistil, že mikroskopické organismy cyanobakterie (sinice) vytvářejí miniaturní čočky podobné těm v lidském oku, detekují světlo a pohybují se směrem ke zdroji světla.

Cyanobakterie je jednobuněčný organismus podobný mikrobům, který se pravděpodobně vyvinul z anaerobních fotosyntetizujících bakterií, jako jsou dnešní purpurové bakterie (chlorobakterie). Nejstarší známé důkazy o jejich existenci na Zemi jsou staré 3,5 miliardy let, a vytvářejí tak jednu z nejdelších rodových linií. Řadí se do jedné z největších skupin bakterií na Zemi a jsou fototrofní. Znamená to, že získávají energii ze Slunce prostřednictvím fotosyntézy. Tyto miniaturní organismy vyhledávají sluneční světlo, a dokonce se za ním pohybují. Směrově orientované pohyby nižších organismů vůči zdroji světla, tzv. fototaxi, lze pozorovat například u rostlin (typickým projevem je otáčení květů za sluncem).

Fototaxe je u cyanobakterií známá už více než 50 let, ale zatím se nikdo podrobně nezabýval, jakým způsobem tyto organismy informace o směru osvětlení získávají. Londýnští fyzici proto začali studovat fototaxi sférických cyanobakterií Synechocystis, a to tak, že pozorovali jejich odezvy na různé světelné podmínky. Když byly bakterie osvětleny pouze z jedné strany, většina z nich se za méně než minutu začala pohybovat směrem ke světlu. Když na bakterie působily z různých směrů dva zdroje světla stejné intenzity, většina bakterií se pohybovala do místa na půli cesty mezi oběma zdroji. Potvrdilo se tím, že bakterie umí určit polohu zdroje světla a přesně k němu řídit svůj pohyb.

Následně vědci zažili něco jako moment vítězství. Členové týmu pozorovali bakterii Synechocystis osvětlovanou z jedné strany a všimli si něčeho zvláštního. Bakterie vytvářela intenzivní světelnou skvrnu na straně odvrácené od zdroje světla a proti směru pohybu. Vypadalo to, jako když každá buňka působí jako mikroskopická sférická čočka, která fokusuje světlo. I když jde o velmi jednoduchý jev, zúčastnění vědci přiznávají, že tohoto efektu si všimli víceméně náhodou.

Aby prokázali, že se bakterie pohybuje směrem od světelné skvrny ke zdroji světla, použili silně fokusovaný svazek laserového záření. Zjistili, že když vytvoří světelnou skvrnu na jedné straně bakterie, buňka se pohybuje opačným směrem, to znamená směrem od laseru. To ukazuje, že fototaxe bakterie je v podstatě fotofobní odezva na selektivní excitaci jedné strany buňky.

Jelikož cyanobakterie mají průměr pouhé tři mikrometry, což je asi pětinásobek vlnové délky viditelného světla, je měření optických vlastností bakterie velmi problematické. Řešení napadlo německé fyziky z Karlsruhe. Umístili buňky Synechocystis na silikonový disk pokrytý fotopolymerem, který vlivem světla tvrdne. Potom ho osvítili ultrafialovým světlem o vlnové délce 365 nanometrů. Difrakce světla na buňkách způsobila, že se na povrchu disku vytvářely zřetelné obrazce, které byly následně studovány atomovým silovým mikroskopem.

Atomová silová mikroskopie (AFM) umožňuje zobrazit detaily povrchů o délce menší než 100 pikometrů, tj. 100 biliontin metru. Jedná se o vylepšenou metodu rastrovací sondové mikroskopie, jejímž základem je jev, který se nazývá kvantové tunelování. AFM vychází z měření rozložení atomových sil na zkoumaném povrchu. Obě metody umožňují nejen zobrazení skutečného povrchu hmoty v rozlišení na atomové úrovni, ale i manipulaci s jednotlivými molekulami nebo dokonce atomy. Aktuálně se hojně využívají v nanotechnolo­giích.

Zpět k našim bakteriím. Světlo z laseru vytvořilo přesně fokusovanou skvrnu na zadní straně bakterie o průměru menším, než bylo dopadající světlo. Týmu se podařilo zjistit některé optické charakteristiky buňky, například velikost indexu lomu, která byla 1,4. Zatím se ale neví, jestli se tato hodnota mění s tloušťkou bakterie, což by mělo významné důsledky pro dráhu světla, které touto buňkou prochází.

Členové týmu mají v plánu podrobně studovat optické vlastnosti i jiných mikrobů. Tvrdí, že pokud některé bakterie působí jako čočky, jiné by se mohly chovat jako mikroskopická optická vlákna. A to by znamenalo opět jednu fyzikální revoluci!

Fyzici mění konvenční pohled na schnutí barev

Francouzští a britští fyzici objevili zcela nový mechanismus, který způsobuje, že při schnutí barev se oddělují částice různých velikostí. To slibuje široké praktické uplatnění. Na základě počítačových simulací a řady experimentů vědci tvrdí, že menší částice „spojují své síly“ a „odstrkují“ větší částice v jednom směru, což vytváří ve schnoucím materiálu vrstevnatou strukturu. Objev mění konvenční povědomí o tom, jakým způsobem barvy nebo jiné nátěrové hmoty schnou, a mohl by vést k vývoji nových technologií pro vytváření vrstevnatých materiálů.

Pokud na povrchu nějakého materiálu schne tenký kapalný film obsahující barvu nebo jiné malé částice, řídí pohyb těchto částic dva mechanismy. Jedním z nich je stochastický Brownův pohyb, který hledá rovnovážné rozložení a snaží se rozdělit částice rovnoměrně po celém povrchu. Druhým mechanismem je vypařování, jež se naopak snaží systém odvést pryč z rovnovážného stavu a může způsobit samoorganizaci velkých struktur. Pro příklad nemusíme chodit daleko. Třeba rozlitá káva. Drobné částice se v důsledku vypařování pohybují směrem k okraji skvrny a vytvářejí známé kávové prstence.

Ve směsi částic dvou různých velikostí mají menší částice rychlejší Brownův pohyb než větší částice, a proto se mohou redistribuovat směrem pryč od povrchu – kde probíhá vypařování – rychleji než větší částice. Větší částice se tedy mohou shlukovat na straně na vzduchu se vypařujícího filmu, zatímco menší částice na straně opačné. Teď však britští fyzici přišli na to, že ve směsi, kterou studovali, to může být obráceně, tedy že se menší částice shromažďují na povrchu (na vzduchu).

Překvapující efekt zaznamenali nejdříve pomocí počítačových simulací vypařování různých směsí s poměrem průměrů částic 2:1 až 14:1. Ukázalo se, že pro požadovanou separaci musí být ve směsi alespoň 200× více malých částic než velkých. Teoretické výpočty kontrolovali v atomovém silovém mikroskopu s použitím akrylové barvy, jež obsahovala částice o průměrech od 55 do 385 nanometrů, což je poměr 7:1.

Tým přišel s vysvětlením, které je založeno na analýze sil působících na jednotlivé částice: S tím, jak se kapalina vypařuje, hustota částic u povrchu roste a vytváří dovnitř směřující sílu. Ta vzniká tak, že se částice zkouší pohybovat směrem od povrchu. Z toho, jaké si částice navzájem udělují impulsy, vyplynul závěr, že dovnitř působící rychlost částic je úměrná druhé mocnině jejich průměru. Pro zkoumanou barvu by se tedy měly velké částice pohybovat 49× rychleji než malé. Tento závěr byl ověřen také experimentálně.

Na základě podrobného prozkoumání tohoto efektu by mohla vzniknout řada užitečných materiálů. Takový typ „samovrstvení“ by našel užití v různých nátěrech. Například v ochranných krémech by většina částic blokujících sluneční záření mohla být navržena tak, aby zůstaly na povrchu, zatímco částice, které mají přiléhat ke kůži, by byly vespod. Další aplikace se nabízejí v oboru vrstevnatých pokrytí pro elektroniku, pro inkoustové tiskárny a pochopitelně pro dokonalejší barvy.

Původní materiály byly uveřejněny v časopisech Science, Physical Review Letters, eLife a Physics World.


Další díly:

Aktuality z fyziky XXXI Aktuality z fyziky XXX Aktuality z fyziky XXIX
Aktuality z fyziky XXVIII Aktuality z fyziky XXVII Aktuality z fyziky XXVI
„Top ten“ fyziky roku 2015 Aktuality z fyziky XXV Aktuality z fyziky XXIV
Aktuality z fyziky XXIII Aktuality z fyziky XXII 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