Chcete se přestěhovat na Mars? Snad raději ani ne! Kosmická sonda MAVEN studovala hlavně horní vrstvy atmosféry Marsu, které vypovídají o vývoji klimatu na „Rudé planetě“, a potvrdilo se, že by se tam pravděpodobně žádnému pozemšťanovi nelíbilo. Dále fyzici experimentálně potvrdili silnou interakci mezi antiprotony. Je to sice očekávaný, ale mimořádně důležitý výsledek. A nakonec se vrátíme k jednomu z „top ten“ výsledků loňského roku, kterým je akustický vlečný paprsek a možnosti jeho praktického využívání.

Vozítko Curiosity zkoumá Mars přímo na jeho povrchu (foto NASA/JPL-Caltech/MSSS)

Sonda MAVEN podrobně studovala horní vrstvy atmosféry Marsu

Mars nepřestává překvapovat, a to nejen astronomy. Čím více o něm víme, tím jasněji se ukazuje spojitost mezi jeho vnitřkem, povrchem a atmosférou. Dřívější mise na Mars přesvědčivě prokázaly, že zde kdysi existovala voda v kapalném stavu. Jenže k tomu bylo potřeba hodně CO₂ v atmosféře, aby byl vytvořen dostatečně intenzivní skleníkový efekt, který by planetu zahříval. Kam ale zmizel všechen CO₂? Kam zmizela voda? NASA proto vyslala sondu MAVEN, jejímž cílem bylo detailně zkoumat horní vrstvy současné atmosféry Marsu.

Více než 1 000 km nad povrchem Marsu sonda objevila prachové částice, a to je desetkrát větší výška, než se doteď ve všech modelech Marsu předpokládalo. Jenže kde se tam vzaly? Jejich přítomnost napovídá, že Mars akumuluje prach ze sluneční soustavy a poskytuje důležitý klíč k určení pohybu prachu solárním systémem. Vědci měli doteď za to, že se prach zvedá maximálně do výšky 100 km nad povrch Marsu.

MAVEN záhadné prachové částice zaznamenala, když se pohybovala po protáhlé eliptické dráze s výškou nad povrchem Marsu od 150 do 6 500 km. Kolem Marsu začala obíhatv září 2014 a zařízení na její palubě detekovala prach tím, že zaregistrovala drobné obláčky plasmy, vznikající nárazem prachových částic do sondy. Celý povrch sondy funguje jako detektor, a proto může měřit velmi nízké koncentrace prachu. Rozměry každé částice se dají odhadnout podle intenzity signálu měřicího zařízení. Data byla shromažďována sedm měsíců a za tu dobu se sonda přiblížila více než tisíckrát na vzdálenost 150 km od povrchu Marsu.

Data ukazují, že koncentrace prachových částic je relativně konstantní od výšky kolem 500 km do výšky 1 500 km. V nižších výškách počet částic roste velmi rychle, ve výšce 150 km je jich zhruba pětkrát více. Z laboratorních experimentů vyplývá, že částice mají průměr od jednoho do dvanácti mikrometrů. Vědci ale neznají žádný mechanismus, který by mohl zvedat prachové částice z povrchu do výšky nad 150 km. Pokud prach pochází z atmosféry, znamená to, že astrofyzici opomněli nějaký fundamentální proces v atmosféře Marsu, jenže to není moc pravděpodobné. Rozložení prachu ukazuje na to, že jeho hlavním zdrojem je meziplanetární „smetí“. Předpokládá se, že to je zodpovědné za tvorbu diskrétních vrstev v ionosféře a za chemické složení a energetické poměry v této oblasti.

Co je ale hnacím motorem této meziplanetární hmoty? Zdá se, že hlavní roli zde hraje sluneční vítr. Náhlé a silné zvýšení hustoty, rychlosti a intenzity magnetického pole solárního větru vede ke zvýšení tvorby a zvýšení energie iontů, posbíraných solárním větrem směrem k planetě a zároveň k rychlejšímu unikání plynu z atmosféry do prostoru. Intenzita solárních větrů mohla být v historii sluneční soustavy daleko vyšší, takže to mohlo vést ke ztrátám atmosféry Marsu.

Pokud by tomu tak bylo, Mars nebude jediným sběratelem meziplanetárního prachu. Zemská atmosféra ho obsahuje taky a tým použil starší měření provedené na Zemi, aby odhadl, kolik meziplanetárního prachu může být na Marsu. Ukázalo se, že sonda MAVEN zachytila pouze zlomek prachu, který může obklopovat Mars.

Oběžná dráha sondy byla zvolena tak, aby v nejbližším místě byla sonda pouhých 120 km od povrchu Marsu. Tím se dostala do vrchních vrstev atmosféry, kde bylo možno změřit koncentrace plynů včetně CO₂, argonu, dusíku a oxidu dusíku. Zjistilo se, že se tyto koncentrace při každém „ponoření“ do atmosféry mění, takže atmosféra je dynamickým prostředím. Soda zjišťovala také změny magnetického pole Marsu mezi jednotlivými přiblíženími. Zjistilo se, že i magnetické vlastnosti Marsu ovlivňuje mimo kůry planety také sluneční vítr.

Zařízení na palubě sondy MAVEN zjišťovala, jaké množství iontů uniká z atmosféry Marsu během slunečních bouří. Tato informace pomůže vědcům zjistit, jak velkou část atmosféry Mars v ranné historii ztratil.

MAVEN měla na palubě i zařízení, které sledovalo polární záře na severní polokouli planety. Ukázalo se, že je daleko rovnoměrněji rozložena a rozptýlena než polární záře na Zemi. I za to může sluneční vítr.

Všechny poznatky získané sondou MAVEN vytváří obraz novodobých i historických procesů na Marsu. Horní vrstvy jeho atmosféry jsou pravděpodobně hlavní příčinou vývoje klimatu na Marsu, ovlivňují tedy stabilitu vody v kapalném stavu a tím i možný výskyt života mikroorganismů. Sonda MAVEN bude sledovat atmosféru Marsu po celý marťanský rok i během měnících se fází slunečního cyklu.

Poprvé byla změřena silná interakce mezi antiprotony

Při studiu srážek zlatých iontů, pohybujících se rychlostí blízkou rychlosti světla, změřil mezinárodní tým fyziků poprvé silnou (jadernou) interakci mezi páry antiprotonů. Zjistilo se, že při velmi malých vzdálenostech se antiprotony navzájem přitahují, stejně jako to dělají protony. I když byl tento výsledek očekávaný, může prohloubit porozumění tomu, jak drží antijádra pohromadě.

Na základě matematického popisu, který navrhl Paul Dirac, je možné nahlížet na pozitron jako na elektron pohybující se v čase směrem zpět. Mezi hmotou, antihmotou, symetrií prostoru a dvěma směry času existují složité vztahy, popsané CPT teorémem, který plyne z matematického popisu mikrosvěta. Přitom C znamená změnu znaménka elektrického náboje a P inverzi parity, což znamená, že se prostorové souřadnice mění v jejich zrcadlový obraz. Parita je kladná, když se při zrcadlení nemění vlastnosti částice, a záporná, pokud je to naopak. To znamená obrácení směru času. Praktický příklad: Punčocha má paritu kladnou, protože ji lze navléknout na obě nohy, ale bota má paritu zápornou.

Podle CPT teorému považují zákony kvantové teorie tenisový míček, který po servisu letí přes hřiště, za totožný s jeho zrcadlovým obrazem z antihmoty, který se pohybuje v čase zpět směrem k servírujícímu. Shrnuto, CPT symetrie znamená, že když se změní náboj a parita částice a obrátí se čas, všechny fyzikální zákony zůstávají zachovány.

Silná interakce váže dohromady protony a neutrony v atomovém jádře a je také zodpovědná za spojení kvarků, které vytvářejí protony, neutrony a další baryony. Silná síla je na krátké vzdálenosti přitažlivá a je daleko silnější, než síla elektromagnetická, která se snaží protony od sebe odtlačit.

Nejnovější experimenty byly provedeny realizací projektu STAR na Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) v Brookhaven National Laboratory. Experimenty prokázaly, že síla mezi antiprotony je přitažlivá. Tým byl také schopen měřit dva další důležité parametry, kterými jsou rozptylová vzdálenost a efektivní vzdálenost interakce.

Fyzici z Brookhavenu očekávali, že interakce bude mít CPT symetrii. Dosud žádný experiment neprokázal její porušení, a tak ho fyzici pokládají za základní stavební kámen popisu mikrosvěta.

To, že se nenašlo žádné porušení CPT, není překvapující, protože konvenční stavy by – i kdyby porušení existovalo – musely být daleko slabší, než je silná síla. Znamená to, že v rámci STAR by se musely provádět o mnoho řádů přesnější experimenty. Muselo by se jednat o super-slabé interakce, kterých si nikdo předtím nevšiml. Silná síla je nejsilnější interakce a jakýkoliv dosud neznámý mechanismus, který by způsobil CPT porušení, by musel být nepředstavitelně silný.

I když to není nic převratného, pro fyziky je užitečné mít další výsledky, které potvrzují CPT symetrii. Opět se obrátíme k příkladu z běžného života: Představte si, že ztratíte v noci klíče. Kde je budete hledat? Normální člověk si řekne, že je bude hledat tam, kde mu mohly upadnout. Vědec se ale rozhodne, že bude hledat pod sloupem veřejného osvětlení, protože tam je právě světlo. Projekt STAR hledá porušení CPT tam, kde je alespoň určitá šance ho najít.

Takové měření není vůbec snadné. Tým musel zkoumat znaménko interakce v 500 miliónech srážek zlatých iontů. Podobné měření bylo potřeba udělat na interakcích mezi protony. Antiprotony se navíc velmi těžce produkují, protože anihilují s protony a produkují přitom foton. Každá srážka na RHIC produkuje tisíce částic, ale jen 3 až 4 procenta z nich jsou antiprotony.

Získané poznatky pomáhají fyzikům objasnit, jak jsou antijádra vázána dohromady. Výsledky se dají použít na příklad v kvantové chromodynamice, což je teorie, která popisuje silnou interakci. Silnou interakci je ale velmi obtížné matematicky popsat jen pomocí teoretických hodnot, takže změření interakce antiprotonů poskytuje konkrétní hodnotu, která může být ve výpočtech použita jako parametr.

Experimentálním studiem toho, jak jsou antijádra vázána dohromady, se mohou fyzici naučit, jak vyrobit těžší jádra antihmoty. Několik typů antijader se již podařilo vyrobit, je to na příklad antitricium, které obsahuje jeden antiproton vázaný se dvěma antineutrony, a antihelium 4, které obsahuje dva antiprotony vázané se dvěma antineutrony. K výrobě antihmoty pro praktické používání vede ale ještě dlouhá a trnitá cesta.

Akustický vlečný paprsek může manipulovat s objekty ve vzduchu

Britští a španělští fyzici vyvinuli zařízení, které může zvedat, otáčet a přemisťovat objekty ve vzduchu v různých směrech pomocí akustických vln. Vlečný paprsek používá soustavu miniaturních reproduktorů k vytvoření akustických hologramů, které mohou manipulovat s objekty ve vzduchu. I když se zvukové vlny nemohou šířit ve vakuu a ovlivňovat pohyb kosmických lodí nebo asteroidů, může mít zvukový tažný paprsek široké praktické uplatnění, jako například pohybování drobnými choulostivými objekty na výrobních linkách nebo dopravování malých tabletek léků nebo mikrochirurgických nástrojů skrz živou tkáň.

Práce byla inspirována loňským výzkumem McDonalda a jeho kolegů, který ukázal, že objekty mohou být taženy akustickým vlečným paprskem. Tato práce byla zařazena mezi deset nejvýznamnějších výsledků za rok 2014. Fyzici z univerzity v Bristolu, kteří se tímto výzkumem intenzivně zabývají, vycházejí z toho, že McDonald a jeho kolegové provedli mimořádně zajímavý experiment, který prokázal, že se dají využít akustické přitažlivé síly. Používali také pole reproduktorů a byli schopni aplikovat akustickou sílu na objekty určitého tvaru. Současná práce znamená podstatné zobecnění jejich poznatků.

Nové zařízení používá mřížku 64 reproduktorů, které byly původně vyrobeny pro parkovací čidla řízená polem programovatelných převodníků. Pole převodníků, vyvinuté na univerzitě v Bristolu, vytváří ve vzduchu zpětnou vazbu. Vzhledem k tomu, že pomocí tohoto zařízení je možno vytvořit libovolné akustické pole, je také možno vytvořit libovolné vlečné paprsky. Přesnou kontrolou výstupu reproduktorů se dají vytvořit akustické hologramy, které udržují objekty ve vzduchu a otáčejí je nebo jimi pohybují. Tým zatím vytvořil tři různé akustické tvary, a to pinzetu, vír, který zachytí objekt ve svém středu, a klec. K experimentu byly použity polystyrenové kuličky o průměru od 0,6 do 3,1 mm. Akustická síla byla dostatečně velká k tomu, aby se kuličky udržely ve vzduchu.

Akustický vlečný paprsek používá ultrazvukové vlny o frekvenci 40 kHz a vlnové délce kolem jednoho centimetru. Fyzici ale plánují zvýšení frekvence a snížení vlnové délky tak, aby mohli pracovat i s menšími částicemi. To by otevřelo možnost medicínských aplikací. Akustický vlečný paprsek by mohl být na příklad použit k dopravě kapslí s léky na přesně určené místo v těle a tam je otevřít a uvolnit léčivou látku nebo manipulovat v těle s miniaturními chirurgickými nástroji. Nové zařízení je schopno produkovat libovolné akustické paprsky, ale je zaměřeno především na ultrazvukovou chirurgii. I když se podobná zařízení již zkušebně používala, byla velmi drahá a obtížně programovatelná. Nové zařízení je daleko přizpůsobivější, levnější a díky programovatelné sestavě převodníků lépe ovladatelné.

Původní materiály byly uveřejněny v Nature Communications a Nature. Výzkumu Marsu je věnováno zvláštní číslo Nature.

Další díly:

Autor: Jana Štrajblová
Úvodní foto: Umělecké ztvárnění sondy Mars Atmosphere and Volatile Evolution (MAVEN). Obrázek NASA's Goddard Space Flight Center

Aktuality z fyziky XXIII

Sonda MAVEN podrobně studovala horní vrstvy atmosféry Marsu

Poprvé byla změřena silná interakce mezi antiprotony

Akustický vlečný paprsek může manipulovat s objekty ve vzduchu