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

Matfyz.cz

Aktuality z fyziky XXXIII

Supernova představuje hvězdnou explozi, při které vznikají extrémně jasné objekty tvořené plazmatem (obrázek: NASA/CXC/SAO)

V dalším díle Aktualit nahlédneme nejprve do „galaktické archeologie“. Povíme si, jaký následek mohl mít výbuch supernov v blízkosti naší sluneční soustavy. Ta „blízkost“ se samozřejmě musí brát v astronomických jednotkách. Pak přijde na řadu jeden problém ryze pozemský, totiž jak to dopadne, když se potká klasická termodynamika s kvantovou fyzikou. Praktický význam to má hlavně pro nanoelektroniku. A nakonec se ještě jednou vrátíme k navigačnímu systému stěhovavých ptáků. Zjistíme, že za jejich přesnou orientací stojí jev zvaný kvantová koherence.

Nalezení důkazů pro výbuch supernovy na hranicích naší galaxie

Dva vědecké týmy se v současné době nezávisle na sobě zabývají něčím, co by se dalo nazvat „hvězdná“ nebo „galaktická archeologie“. Jeden je z Berlínského institutu technologie a druhý z Australské národní univerzity. Oba týmy hledají souvislosti mezi abnormálním výskytem izotopu 60Fe a výbuchem supernov v „blízkosti“ Země a podařilo se jim dojít k podobným výsledkům, které publikovaly v jednom z nejprestižnějších vědeckých časopisů, v Nature.

Tomu, že v několika posledních milionech let vybuchla na hranicích naší galaxie supernova, nasvědčuje určitým způsobem lokalizovaný výskyt izotopu železa 60Fe. Proč právě železo? To zjistíme, pokud si přiblížíme, co to vlastně supernova je.

Supernova představuje hvězdnou explozi, při níž vznikají extrémně jasné objekty tvořené plazmatem. Jejich jasnost však v průběhu velmi krátké doby, řádu týdnů nebo měsíců, o mnoho stupňů klesá. Jde o masivní hvězdu, která ve svém jádru vyčerpala podstatnou část paliva pro jadernou fúzi a začala tvořit železo. Vlivem útlumu termonukleární reakce a vlastní gravitace se hvězda začne hroutit. Supernova může být i takzvaný bílý trpaslík, který nahromadil materiál od svého hvězdného průvodce a prodělal termonukleární explozi. V obou případech je ale většina hmoty hvězdy rozmetána obrovskou silou do okolí. Odtud tedy izotop železa na Zemi.

Z výsledků studií vyplývá, že ve vzdálenosti 330 světelných let vybuchly dvě supernovy. Stalo se tak před 2,3 miliony let. Objev z „galaktické archeologie“ naznačuje, že supernovy mohly zapříčinit nástup pleistocénu (starší oddělení čtvrtohor), tedy období rozsáhlých klimatických změn, pro které je typické opakované střídání dob ledových a meziledových. Během tohoto období vymírala, zejména v Austrálii a v Americe, velká zvířata, jako byli mamuti, mastodonti nebo tygři šavlozubí. Současně pokračoval vývoj člověka – vymírali neadrtálci a během poslední doby ledové se již objevil homo sapiens.

Astronomové skutečně už delší dobu předpokládají, že supernovy, které se vyskytly v blízkosti naší galaxie, měly na Zemi významný vliv. Jejich hypotézu potvrdil radioaktivní izotop železa (60Fe), který je při výbuchu supernovy produkován. Na základě jeho rozložení v usazeninách na dnech hlubokých moří a v zemské kůř vědci usuzují, že se jedna nebo i více supernov muselo v průběhu několika posledních milionů let v blízkosti Země opravdu vyskytnout.

Vědci z australského týmu zkoumali usazeniny na dně Atlantského, Tichého a Indického oceánu s pomocí hmotového spektrometru. Během výzkumu naměřili nadstandardní množství izotopu železa – hodnoty byly čtyřicetkrát vyšší, než je normální pozadí. Přebytek 60Fe pochází ze dvou časových period, a to před 1,5 až 3,2 milionů let a před 6,5 až 8,7 milionů let. Takové množství už se nedá vysvětlit dopadem velkých asteroidů nebo spršek meteoritů. Zůstává tedy pouze jediná alternativa – supernova.

Německý tým věří, že by bylo možné určit, kdy a kde poslední supernova vybuchla. Naše sluneční soustava totiž sídlí v takzvané Lokální bublině, což je obrovská, 300 světelných let široká dutina mezihvězdného prostoru. Samotná její existence potvrzuje, že v blízkosti sluneční soustavy docházelo k výbuchům supernov, které tuto bublinu v podstatě musely vyfouknout.

Nejpravděpodobnější trajektorie masivních hvězd, které by mohly vytvořit supernovy, směřuje do souhvězdí Štíra, Vlka, Kentaura a Jižního kříže patřících k asociaci Scorpius-Centaurus. Astrofyzici zjistili, že před 2,3 miliony let mohl relativně blízko Země explodovat 8,8násobek sluneční hmoty. Po něm, před 1,5 milionem let, pravděpodobně následoval výbuch hmoty ještě větší, tentokrát 9,2násobku hmoty Slunce. Dohromady dodaly tyto dvě supernovy 47 % 60Fe, které se nachází v zemské kůře a v mořských usazeninách. Takto mohlo explodovat ještě přibližně tucet nebo i více hvězd, ale protože to bylo dříve a hvězdy byly dál od Země, byl jejich vliv na naši planetu daleko slabší.

Práce obou vědeckých skupin se vzájemně výborně doplňují a přinášejí konzistentní obraz o vlivu astronomických událostí na tvorbu mořského dna a nové poznatky pro galaktickou acheologii. Existuje ale ještě jedna otázka, zatím přesvědčivě nezodpovězená. Přibližně před 2,6 miliony let vstupovala Země do periody opakovaných dob ledových, tedy do již zmíněného pleistocénu. Když toto období před 11 700 lety končilo, byl už člověk dominantní formou života na Zemi. Začátek pleistocénu koinciduje s výbuchy supernov Scorpius-Centaurus. Existuje mezi těmito dvěma mezníky souvislost?

I když nemáme přímý důkaz a časové údaje mohou být pouhou shodou okolností, astrofyzici jsou vesměs přesvědčeni, že naznačený problém stojí za podrobný výzkum. Jeden z jeho možných směrů by mohl být veden otázkou, zda kosmické paprsky ze supernov mohly způsobit vznik oblačnosti, která by naši planetu ochladila. Také němečtí a australští vědci souhlasí, že jde o důležité otázky. Na druhou stranu však nepředpokládají, že by podobná koincidence mohla existovat také u starších usazenin 60Fe pocházejících z doby před sedmi až osmi miliony let. Takové supernovy by byly příliš daleko na to, aby ozařovaly planetu a způsobovaly výrazné změny klimatu nebo ovlivňovaly život na Zemi. V průběhu minulých 500 milionů let došlo sice na Zemi k řadě událostí, jako je třeba masové vymírání různých druhů, které by se takové kosmické katastrofě dalo připsat, supernova by však musela vybuchnout velmi blízko, aby byly následky tak katastrofické.

Rande klasické termodynamiky s kvantovou mechanikou

Němečtí fyzici dovedli miniaturizaci až do krajní meze, když z jediného atomu vyrobili tepelný motor, jeden z klíčových vynálezů klasické termodynamiky, a navíc ještě dokázali změřit jeho výkon. Přestože všelijaké mikroskopické motorky byly navrženy a vyrobeny už dříve, tento je dosud ze všech nejmenší.

Co je tepelný motor? Jde o zařízení, které mění gradient teploty na mechanickou práci. Jedná se o typický produkt klasické termodynamiky. Definice teploty je v klasické termodynamice odvozena od střední energie velkého počtu částic, a nedá se tedy přímo použít pro jeden atom. Nicméně teplotu takové částice lze dobře definovat s použitím takzvaného ergodického teorému, který stanoví, že průměrná energie velkého počtu částic v určitém prostoru je rovna energii jedné částice za určitý čas. Právě to, jak je možné použít časově zprůměrovanou definici teploty, bylo nejobtížnější částí návrhu tepelného motoru.

Řešení našli fyzici v uzavření částice, kterou v tomto případě představoval iont vápníku 40Ca+, do pasti tvaru nálevky. Částice mohla vykonávat Brownův pohyb v radiálním směru. Vědci ji poté zahřívali pomocí elektrického šumu, což sice zní podivně, ale jde o náhodnou směs signálů všech kmitočtů (takzvaný bílý šum). Současně s tím, jak teplota stoupala, zvětšovaly se amplitudy oscilací částice v radiálním směru. To vedlo k náhodnému zapojování oblasti s vyšším potenciálem. Částice se přitom posouvala směrem ke konci pasti, kde byla méně pevně lokalizována. Pro přiblížení si můžeme představit balonek v trychtýři. Pokud ho budeme nafukovat, bude se pohybovat směrem k širšímu konci trychtýře.

Když fyzici šum vypnuli, iont se ochladil a spadl zpět do užší příkřejší části pasti. Periodickým zapínáním a vypínáním šumu byly mezi dvěma konci pasti nastaveny axiální oscilace iontu. Pokud by oscilace tlumeny nebyly, rostly by tak dlouho, až by částice past opustila. To však nebylo účelem, proto fyzici použili k tlumení oscilací laser tak, aby částici udržovali ve stavu stabilních harmonických oscilací.

Pak zbývala otázka, jakou energii motor vlastně produkuje. Odpověď poskytl tlumicí laser. Bylo potřeba přesně zjistit, kolik energie laser spotřebuje. Protože v ustáleném stavu se energie produkovaná motorem rovná energii, kterou spotřebovává brzdicí laser, dala se určit výstupní energie motoru. Konkrétní hodnota výstupní energie motoru, ke které došli zúčastnění fyzici, je kolem 3,5.10-22 W. Když se vezme v úvahu počet částic a rozdíl mezi teplotami teplejšího a chladnějšího konce pasti, dojdeme k velikosti výstupního výkonu srovnatelného s výkonem motorů moderních automobilů.

A proč se vlastně takový, z mnoha hledisek pozoruhodný výzkum dělal? Přestože dle vědců není tak docela reálné, že bychom někdy v budoucnu tímto tepelným motorem poháněli třeba Mercedes, jeho využití přichází v úvahu při řízení toků tepla v nanoelektronice. Cílem práce tedy bylo lépe porozumět termodynamickým vlastnostem jednotlivých částic na takové úrovni, aby se tepelné motory o rozměrech atomů mohly v budoucnu skutečně používat. Prozatímním úkolem je chladit atom více a lokalizovat ho pevněji tak, že se už nebude chovat jako klasická částice podléhající zákonům Brownova pohybu, ale bude představovat kvantový vlnový balík.

Fyzici z jiných renomovaných pracovišť považují tuto práci za velmi významnou, a dokonce za určitý fyzikální milník a ukazatel směru dalšího výzkumu. Na jeho základech je totiž možno začít studovat, jak se termodynamika chová, když se setká s kvantovou mechanikou. V této oblasti existuje ještě mnoho nezodpovězených otázek.

Ještě jednou magnetický kompas stěhovavých ptáků

Dlouhodobá kvantová koherence spinu v proteinech nacházejících se v očích stěhovavých ptáků by mohla přinést odpověď na to, jak je možné, že se tito živočichové dokáží orientovat dle magnetického pole Země s tak mimořádnou přesností. Kvantové jevy se totiž objevují v rostlinné i živočišné říši stále častěji a bez jejich uplatnění nelze některé energetické procesy v rostlinách nebo nižších organismech dobře vysvětlit. Například řasy skrytěnky mají v genech nastaveno, zda se u nich během procesu získávání a předávání energie projeví kvantová koherence. Fyzici a biofyzici z Británie a Německa nyní vypracovali nový model fotocitlivých proteinů kryptochromů, který je založen na simulaci jaderných a elektronových spinů a v němž také hraje důležitou roli kvantová koherence.

Každým rokem urazí stěhovaví ptáci tisíce kilometrů, když putují mezi místy svého rozmnožování a přezimování. Jejich navigace, která se stala předmětem mnoha fyzikálních prací, je přitom pozoruhodně přesná. Je už dlouho známo, že tato přírodní podivuhodnost je založena na schopnosti ptáků rozeznávat směr zemského magnetického pole. Nejnovější výzkumy ukázaly, že někteří ptáci jsou schopni rozeznat směr magnetických siločar s přesností 5° i méně.

Dle jedné z nejrozšířenějších teorií dopadající fotony excitují na světlo citlivé proteiny (tzv. kryptochromy), které jsou umístěny na sítnici oka ptáků. Dopadající foton způsobí, že mezi dvěma molekulami proteinu dojde k transportu elektronu. Dvě vzniklé molekuly volných radikálů mají pak nespárované elektrony, ale protože vznikly současně, jsou spiny obou elektronů korelovány. Dva elektronové spiny tak tvoří kvantový koherentní stav, který je ovlivňován i slabým vnějším magnetickým polem, jako je právě geomagnetické pole. Tato interakce ovlivňuje chemickou reaktivitu molekul volných radikálů, a tím i signály, které jsou vysílány do mozku. Na vysvětlenou – radikál je vysoce reaktivní částice, která má jeden nebo více nespárovaných elektronů. Kvantová koherence znamená jistý stupeň sladění vlnových funkcí dvou nebo více mikroskopických objektů, v tomto případě fotocitlivých proteinů. Příslušné vlny se pak shodují ve své frekvenci, fázi a směru kmitání a zesilují se.

Přestože v teoretické rovině zní výklad přesvědčivě, nikdo zatím nevysvětlil, jak tento proces umožňuje ptákům zjistit zemské magnetické pole s tak vysokou přesností. Z dřívějších výpočtů totiž vycházelo, že chemické reakce na sítnici jsou ovlivněny směrem slabého magnetického pole jen velmi málo.

Němečtí fyzici spolu s kolegy z britského Oxfordu nyní vypracovali dokonalejší model fotocitlivých molekul, které se na celém procesu zúčastňují. Dříve se uvažovaly jen jednoduché radikály obsahující jeden jaderný spin. Jenže radikály v kryptochromech mají mnoho jaderných spinů, přibližně deset až patnáct v každém ze dvou radikálů. Nový model se tak započítáním více jaderných spinů a reálného propojení se spiny elektronovými daleko více přibližuje realitě. Důležitou roli hraje i předpoklad delší doby života koherence spinů spárovaných radikálů.

Pokud se doba trvání spinové koherence v jejich modelu stanoví delší než několik mikrosekund, objeví se v signálu, produkovaném spinově-selektivní reakcí párů radikálů, ostré maximum. Když se doba života spinu prodlouží z jedné na sto mikrosekund, pík se postupně zvyšuje a zostřuje. Právě tato okolnost poskytuje ptákům směrové informace, jež jsou dostatečně přesné pro správnou navigaci.

I když způsob chemického předávání informací není u ptáků podrobně znám, podle vědců jde prakticky jistě o vytváření kryptochromových proteinů, které mají různé tvary. Rozdíly ve tvaru umožňují proteinům, aby uskutečňovaly různé interakce s jinými proteiny, a tak se podnítil neuronový signální proces. Spinová koherence s dlouhou dobou života poskytuje dostatek času k vzájemné výměně singletových a tripletových stavů párů radikálů, a tím vytvoření informací, na jejichž základě může pták citlivě reagovat na směr geomagnetického pole. Páry radikálů, které se nezúčastní vytváření směrového signálu, se mění zpět na proteiny s původní strukturou.

Protože se u většiny biologických systémů nepředpokládá dlouhá doba života koherence, vědci se podrobně zabývají otázkou, proč se u ptáků vyvinul molekulární systém, který koherenci rychle neztrácí. Zdrojem relaxace spinu, který může koherenci rozbít, jsou stochastické fluktuace radikálů ve vazebních místech proteinů. Pokud mutace proteinů způsobují, že tyto pohyby jsou rychlé a mají relativně malou amplitudu, pak bude ztráta koherence nepříliš účinná a dovoluje, aby spinově korelovaný stav přetrvával po dobu pěti až deseti mikrosekund. To by mělo dovolit vytvoření jasného signálu, podle kterého se mohou ptáci přesně orientovat.

Práce britských a německých vědců je ostatními fyziky hodnocena jako přelomová. Skutečně vzrušující na ní je to, že je v ní poprvé označen jasný důvod, proč je kompas ptáků tak přesný.

Původní materiály byly uveřejněny v časopisech Nature, Science, Physics World a Proceedings of the National Academy of Sciences (UK).


Další díly:

Aktuality z fyziky XXXII
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