Dnes se napřed podíváme do vesmíru, a to skutečně pomocí viditelného světla a již existujícího teleskopu. Pamatujete si, jaký rozruch udělal objev pláště neviditelnosti? Teď se dovíte, že existuje i jeho akustická obdoba. A nakonec se vypravíme do hlubin oceánu, abychom se pokusili vypůjčit si od matky přírody jedno z jejích technologických kouzel.
Poprvé bylo zachyceno světlo přímo z exoplanety
Když se podíváme na oblohu pokrytou miliardami svítících oken, není divu, že se pídíme po tom, jestli bychom za některým z nich nenašli nové kamarády. Byli by chytřejší než my? Mohli bychom se něčemu přiučit nebo by si nás dali k večeři? První nadějí na úspěch takového počínání jsou exoplanety. Jsou to planety, obíhající kolem jiné hvězdy, než je naše Slunce, a patří tedy do jiné než sluneční soustavy. Teď se mezinárodnímu týmu astronomů podařilo vůbec poprvé zachytit a detekovat spektrum viditelného světla odraženého od takové exoplanety. Použili k tomu zařízení HARPS (High Accuracy Radial velocity Planet Searcher), patřící k Evropské jižní observatoři La Silla v Chile. Jde o již známou exoplanetu 51 Pegasi b, která obíhá hvězdu 51 Pegasi, podobnou Slunci.
Hvězda 51 Pegasi je vzdálená přibližně 50 světelných let od Slunce. Leží v souhvězdí Pegasa – Okřídleného koně. Exoplanetu 51 Pegasi b, která patří do skupiny planet podobných Jupiteru a která okolo této hvězdy obíhá, objevili astronomové už v roce 1995 použitím metody změny radiální rychlosti. Do dnešní doby totiž pro hledání exoplanet existovaly v podstatě jen dvě metody. První spočívá právě v pozorování kolísání radiální rychlosti hvězd, způsobeném přitažlivou silou mezi hvězdou a planetou, a druhá je založena na sledování slabého poklesu intenzity záření hvězdy, způsobeného přechodem exoplanety z našeho hlediska „před“ hvězdou.
V nové práci použila skupina portugalských astronomů k pozorování planety 51 Pegasi b spektrograf HARPS a našla viditelné, i když velmi slabé světlo, přicházející z této exoplanety. Světlo, které vidíme přicházet z exoplanet, je ve skutečnosti světlo odražené od mateřské hvězdy, jen o několik řádů slabší. Astronomové pak hledají podobné spektrální charakteristiky světla odraženého od planet, obíhajících mateřskou hvězdu, jaké má spektrum mateřské hvězdy. Protože nová metoda nezávisí přímo na pozorování průchodu exoplanety, může být použita ke studiu většího množství exoplanet přímo viditelným světlem, při čemž je možno zjistit dříve nedetekovalné charakteristiky – například aktuální hmotnost. Protože slabý signál z exoplanet může snadno zaniknout v šumu nebo být překryt jinými efekty, museli astronomové vypracovat i zvláštní metodu pro jeho zesílení.
Nová metoda bude zřejmě mít velký význam, protože dovoluje přímo měřit skutečnou hmotnost a sklon oběžné dráhy exoplanet, tedy veličiny, které jsou potřeba pro pochopení celého systému. Umožňuje také odhadnout schopnost planety odrážet paprsky (albedo), což je veličina, která dovoluje odhadovat složení povrchu planety a její atmosféry.
Při pozorování astronomové pečlivě vyhledávali okna, během kterých mohla být exoplaneta pozorována blízko ideální konjunkci, kdy denní strana planety směřuje k Zemi, čímž se maximalizuje množství zachyceného světla. Zjistili, že planeta 51 Pegasi b má hmotnost rovnou přibližně polovině hmotnosti Jupiteru, ale že má větší průměr a její oběžná dráha je skloněna o přibližně deset stupňů vzhledem k dráze Země.
Pozoruhodné je, že data bylo možno získat s pomocí již existujících zařízení, i když se původně myslelo, že to dokáže až následující generace teleskopů. Výsledky tak demonstrují slibné perspektivy této techniky – zvláště, až budou skutečně k dispozici nová zařízení jako ESPRESSO na Very Large Telescope a European Extremely Large Telescope.
Akustické topologické izolátory by mohly ukrývat ponorky
Zvukové vlny se na většině povrchů rozptylují a odrazy mohou rušit posluchače. Teď navrhli technologové nový akustický topologický izolátor, který tyto problémy pomůže zmírnit přenášením zvuku pouze určitými směry bez zpětných odrazů. Nový materiál by měl umožnit vývoj nových akustických zařízení, která by mohla najít široké uplatnění třeba v medicíně nebo ve vojenství. Šlo by na příklad o vylepšená naslouchátka nebo ochranu objektů před identifikací sonarem.
Topologické izolátory jsou materiály, které nevedou elektrický proud objemem, ale jsou velmi dobrými vodiči na povrchu. Umožňují to zvláštní „okrajové stavy“, ve kterých se elektrony nemohou odrážet zpět z topologických důvodů. A teď přišla na řadu také akustická verze takových izolátorů. Akustické vlny se v nich šíří po povrchu materiálu, ale nepronikají dovnitř. Realizovat by se daly pomocí periodického akustického media, které dostalo název „fononické krystaly“.
Fyzici ze Singapuru teď objevili uspořádání, které by mohlo splňovat tyto požadavky. Jedná se o pravidelné pole rotujících válců, jehož struktura má trojúhelníkovou mřížku s elementární buňkou o velikosti 20 cm. Každá elementární buňka má uprostřed válec, který se otáčí rychlostí 400 otáček za sekundu. Válec je obklopen koncentrickým pláštěm, prostupným pro zvukové vlny. Rotace válců způsobuje, že vzduch v buňce rotuje. Výpočet, který skupina provedla, ukazuje, že při frekvencích mezi 914 a 1 029 Hz se budou zvukové vlny šířit pouze kolem hran mřížky. Šíření vln navíc ani nevadí žádné defekty, neuspořádanosti, ostré rohy nebo výčnělky na hranách mříže. Je to stejné jako v případě elektrické vodivosti na povrchu topologických izolátorů.
Dalším důležitou vlastností těchto akustických okrajových stavů je, že zvuk se šíří pouze jedním směrem. Tento směr závisí na tom, jestli se válce točí ve směru nebo proti směru hodinových ručiček. Směr šíření zvuku tak může být změněn změnou směru otáčení válců. Výpočty ukazují, že takové mřížky mohou být naladěny pro jednosměrné šíření zvuku bez odrazů pro široký interval slyšitelných a ultrazvukových frekvencí.
Podle fyziků, kteří se tohoto výzkumu účastnili, pomohou fononické krystaly zlepšit sluchové pomůcky vytvořením systému, který bude velmi účinný v důsledku soustředění zvuku do sluchového kanálu. Věří také, že se podaří sestrojit akustickou obdobu optického „pláště neviditelnosti“, který bude moci chránit různé objekty před objevením (hlavně ponorky). Teď zbývá převést všechny teoretické výpočty do praxe tak, aby zařízení byla jednoduchá a levná.
Vědci opět našli inspiraci v přírodě
Američtí fyzici totiž odhalili, kde se bere pozoruhodná pevnost kotvících vláken mořské houby. Zjistili, že pevnost vláken spočívá ve zvláštní struktuře vlákna. Je totiž vytvořeno z 25 koncentrických křemenných válců. Vědci věří, že budou schopni takovou strukturu napodobit a vyrobit pevný umělý materiál, použitelný i při stavbě velkých objektů.
V hlubokých vodách západního Pacifiku žije 20 – 35 cm dlouhá mořská houba s latinským názvem Euplectella aspergillium, známá jako „Venušin květinový koš“. Kostra houby je pevně přichycena k mořskému dnu tisíci skelnými křemíkovými „úvazy“. Každá úvaz je asi 10 cm dlouhý a je pokrytý zpětnými háčky. I když je tenčí než lidský vlas, má pozoruhodně velkou nosnost (odolnost proti zatížení) a je schopen přenášet značné síly z kotvících háčků na zbytek kostry houby.
Každý úvaz obsahuje křemenné jádro, které je obklopeno 10 – 50 koncentrickými křemennými válci, separovanými navzájem vrstvou organického materiálu. Mechanici z Brownovy univerzity a z Harvardu si stanovili za cíl odhalit, jestli je pevnost úvazů spojena se zvláštním uspořádáním válců a jádra, tedy jestli dokázala příroda optimalizovat strukturu tak, aby byla velmi pevná.
K zodpovězení této otázky vypracovali matematický model vnitřní struktury úvazů. Zjistili, že organické vrstvy jsou přítomny proto, aby umožnily válcům klouzat po sobě, a dále přišli na to, že pevnost všech válců je stejná. Z modelu odvodili různé konfigurace tloušťek vrstev, aby našli strukturu, která bude mít maximální odolnost proti zatížení. Model napovídá, že optimální je stav, kdy tloušťka úvazů klesá směrem ven. A tak to také v přírodě skutečně je. Porovnání mezi tloušťkami vrstev v optimálním modelu se shoduje s více než stovkou reálných úvazů. Toto uspořádání vrstev rozděluje vnitřní napětí přes celý průřez a nedochází ke koncentraci napětí v krajových částech tak, jak by to bylo v jednoduchém vlákně. Výsledkem je, že než dojde k jeho destrukci, vrstevnaté vlákno může přenášet větší zátěž. Model až překvapivě dobře odpovídá přírodnímu uspořádání. Není divu, protože to se vyvíjelo po více než 600 milionů let. Fyzici věří, že bude možno vytvořit umělé materiály s podobnými vlastnostmi a že jejich dopad na praktické aplikace může být obrovský. Takže se můžeme těšit, že takové pevné umělé materiály se budou používat pro konstrukci domů nebo třeba letadel.
Původní materiály byly publikovány v Astronomy and Astrophysics, Physical Review Letters a Proceedings of the National Academy of Sciences (GB).
Další díly:
Aktuality z fyziky XVII
Aktuality z fyziky XVI
Aktuality z fyziky XV
Aktuality z fyziky XIV
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