Gli scienziati hanno osservato per la prima volta il quinto stato della materia, i condensati di Bose-Einstein (BEC), a bordo della Stazione Spaziale Internazionale

Gli scienziati hanno osservato per la prima volta il quinto stato della materia nello spazio, offrendo una visione senza precedenti che potrebbe aiutare a risolvere alcuni degli enigmi dell’universo quantico. I condensati di Bose-Einstein (BEC), la cui esistenza era stata predetta da Albert Einstein e dal matematico indiano Satyendra Nath Bose quasi un secolo fa, si formano quando gli atomi di alcuni elementi vengono raffreddati quasi allo zero assoluto (meno 273.15 Celsius). A questo punto, gli atomi diventano un’unica entità con proprietà quantistiche , in cui ogni particella funziona anche come un’onda di materia.

I BEC si trovano a cavallo della linea tra il mondo macroscopico governato da forze come la gravità e il piano microscopico, governato dalla meccanica quantistica . Gli scienziati ritengono che i BEC contengano indizi vitali a fenomeni misteriosi come l’energia oscura, l’energia sconosciuta che si ritiene sia dietro l’espansione accelerata dell’Universo. Ma i BEC sono estremamente fragili. La minima interazione con il mondo esterno è sufficiente per riscaldarli oltre la soglia di condensazione. Ciò li rende quasi impossibili da studiare per gli scienziati sulla Terra, dove la gravità interferisce con i campi magnetici necessari per tenerli in posizione per l’osservazione.

La Stazione Spaziale Internazionale. Credit: NASA

ISS decisiva

Giovedì un team di scienziati della NASA ha svelato i primi risultati degli esperimenti BEC a bordo della Stazione Spaziale Internazionale, dove le particelle possono essere manipolate libere dai vincoli terrestri. “La microgravità ci consente di confinare gli atomi con forze molto più deboli, dal momento che non dobbiamo sostenerli contro la gravità“, ha detto a AFP Robert Thompson del California Institute for Technology, Pasadena.

La ricerca pubblicata sulla rivista Nature documenta diverse differenze sorprendenti nelle proprietà dei BEC creati sulla Terra e quelli a bordo della ISS. Per prima cosa, i BEC nei laboratori terrestri durano in genere una manciata di millisecondi prima di dissiparsi. A bordo della ISS i BEC sono durati più di un secondo, offrendo al team una possibilità senza precedenti di studiare le loro proprietà. La microgravità ha anche permesso agli atomi di essere manipolati da campi magnetici più deboli, accelerando il loro raffreddamento e consentendo immagini più chiare.

Una svolta “notevole”

Creare il quinto stato della materia, specialmente all’interno dei confini fisici di una stazione spaziale, non è un’impresa da poco. Innanzitutto, i bosoni, particelle che hanno un numero uguale di protoni ed elettroni, vengono raffreddati fino allo zero quasi assoluto usando i laser per bloccarli in posizione. Più gli atomi si muovono più lentamente, più diventano freddi. Man mano che perdono calore, viene introdotto un campo magnetico per impedire loro di muoversi e l’onda di ogni particella si espande. Molti bosoni vengono stretti in una “trappola” microscopica che fa sovrapporre le loro onde in una singola onda di materia, una proprietà nota come degenerazione quantistica.

La distribuzione di velocità conferma la scoperta di un nuovo stato della materia, il condensato di Bose – Einstein di un gas di atomi di rubidio. A sinistra gas non condensato, al centro condensato in parte, a destra quasi puro condensato. Credit: NIST/JILA/CU-Boulder

Il secondo in cui viene rilasciata la trappola magnetica per consentire agli scienziati di studiare la condensa, tuttavia, gli atomi iniziano a respingersi a vicenda, facendo sì che la nuvola si allontani e il BEC diventi troppo diluito per essere rilevato. Thompson e il team hanno capito che la microgravità a bordo della ISS ha permesso loro di creare BEC dal rubidio, un metallo morbido simile al potassio, su una trappola molto più superficiale rispetto alla Terra. Ciò spiegava il tempo notevolmente aumentato in cui la condensa poteva essere studiata prima di diffondersi.

Soprattutto possiamo osservare gli atomi mentre galleggiano completamente non confinati (e quindi non disturbati) da forze esterne“, ha detto Thompson.

Schema della condensazione di Bose–Einstein in funzione della temperatura e diagramma dell’energia. Credit: Jubobroff Jubobroff J.Bobroff 

Precedenti studi, che tentavano di emulare l’effetto dell’assenza di gravità sui BEC, utilizzavano aeroplani in caduta libera , missili e persino apparecchi caduti da varie altezze. Il leader del team di ricerca David Aveline ha dichiarato all’AFP che lo studio dei BEC nella microgravità ha aperto una serie di opportunità di ricerca.

Le applicazioni spaziano dai test di relatività generale e ricerche di energia oscura e onde gravitazionali alla navigazione di veicoli spaziali e alla ricerca di minerali sotterranei sulla Luna e su altri corpi planetari“, ha detto.

Riferimenti:

Passione Astronomia consiglia...
  • Periodo di prova gratuito ad Amazon Kindle Unlimited grazie a Passione Astronomia clicca qui
  • Lo store astronomico clicca qui
Se vuoi sostenere il nostro lavoro puoi fare una donazione