Dnešní první příspěvek bude možná někomu připadat tak trochu jako z říše sci-fi. Vrátíme se k objevu gravitačních vln, jenže řeč nebude o černých dírách, ale o gravastars. Mohou tyto astronomické objekty skutečně napodobovat signály gravitačních vln z černých děr, nebo jde jen o dočasné vzplanutí fyzikální fantazie? To ukáže až čas a dokonalejší měřicí přístroje. V druhé aktualitě se dovíme o objevu nového stavu molekul vody a řekneme si, jak je důležitý třeba z hlediska chování vody v našem těle. Nakonec se vrátíme do zcela reálného prostředí – uvidíme, jak uhlíkové nanotrubice svítí na fotonických čipech. Pochopitelně že výzkum vede k hlavnímu fenoménu dnešní doby, k počítačům.
Mohou „gravastary“ napodobovat signály gravitačních vln z černých děr?
Na počátku tohoto roku objevili astrofyzici pracující v Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (aLIGO) první přímý důkaz existence gravitačních vln. O objevu jste se mohli dozvědět také z našich předchozích příspěvků, a tak jen pro připomenutí uvádíme, že gravitační vlny byly pozorovány při spojení dvou binárních černých děr v události, která nese astronomické označení GW150914.
Mezinárodní tým astrofyziků nyní publikoval práci, ve které se dočteme, že by také jiný hypotetický exotický hvězdný objekt mohl produkovat podobný signál, jenž svědčí o existenci gravitačních vln. Jedná se o vesmírná tělesa, která ještě ani nemají český název a v angličtině nesou označení „gravastars“.
Gravastar nebo chcete-li gravahvězda je hypotetický astronomický objekt, hvězda tvořená GRAvitačním VAkuem. Nová astrofyzikální teorie, která by dokonce mohla nahradit stávající teorii černých děr, předpokládá, že místo toho, aby se hvězda zhroutila do jediného bodu o nekonečně velké hustotě, projde prostor jako takový fázovým přechodem, který zabraňuje dalšímu hroucení a transformuje se do podoby sférického „prázdna“ obklopeného určitým druhem extrémně husté hmoty.
Teoreticky je možné rozlišovat mezi různými zdroji signálu gravitačních vln, zatím se ale nedá s naprostou jistotou říct, jestli GW150914 měl exotičtější původ než „pouhé“ spojování černých děr. Více informací o zdrojích gravitačních vln by mohly v budoucnu dodat detektory poskytující silnější signál. Samotný detektor aLIGO neměl ještě v době prvního objevu gravitačních vln plánovanou citlivost. Detektory, které budou v budoucnu umístěny do kosmického prostoru, jako je interferometr eLISA (European Space Agency‘s Evolved Laser Interferometer Space Antenna), by mohly nesrovnalosti mezi teoreticky předpověděným a detekovaným signálem odkrýt.
Einsteinova obecná teorie relativity poskytuje velmi přesný teoretický rámec pro takové typy signálů gravitačních vln, které by mohly vznikat během srážky a následného spojení velmi hmotných kompaktních těles, jako jsou černé díry. Gravitační vlny jsou produkovány nepřetržitě před, během a těsně po jejich spojení. Frekvence vln se bude měnit a řekne nám, kdy se oběžná dráha černé díry začíná zmenšovat a počíná její kolaps. Čím menší je počáteční vzdálenost obou objektů, tím více záření je produkováno, když do sebe černé díry narazí. Celý zachycený impuls trvá necelé tři desetiny sekundy – tak rychlá je závěrečná fáze splynutí obou objektů. To způsobuje charakteristický tvar signálu, kdy v okamžiku spojení nejprve frekvence a amplituda vln roste až do maxima, a pak rychle klesá. V anglické literatuře se takový profil signálu nazývá chirp. Spojením ale vznikne silně deformovaná černá díra, která se sama snaží zbavit své deformovanosti a přitom produkuje další gravitační záření. Celý systém rychle ztrácí energii, intenzita vln exponenciálně klesá a vytváří doznívající signál. V případě GW150914 narůstala při přibližování obou složek frekvence z desítek Hz až na 500 Hz při splynutí.
Všechny části signálu nesou zásadní informace o hmotnosti a spinu obou původních černých děr a o parametrech nové černé díry, která spojením vznikla. Doznívající signál přirovnávají astrofyzici k vibracím stradivárek. Aby byla absolutní jistota, že gravitační vlny pocházejí ze spojujících se černých děr, musí být v signálu detekovány tzv. kvazinormální vibrační módy vznikající černé díry. Podle našich současných znalostí jsou tyto vibrační módy spojeny s klíčovými charakteristikami černé díry, jako je horizont událostí.
Nyní však astrofyzici Vitor Cardoso, Paolo Pari a Edgard Franzi provedli nové simulace a analýzy, jejichž výsledkem je zcela nová „spekulace“. Podle nich může být virtuálně nerozeznatelný doznívající signál produkován „imitátory černých děr“. Jedná se o hypotetické objekty, jež jsou stejně kompaktní jako černé díry, ale nemají horizont událostí. Právě těmi by mohly být buď výše zmíněné objekty gravastary, jejichž vnitřek je vyplněn temnou hmotou, nebo červí díry (wormhole), což je zjednodušeně řečeno tunel v prostoročase, který spojuje dvě vzdálená místa ve vesmíru.
Tyto exotické objekty mají „světelné prstence“ (light rings), jež jsou dalším artefaktem obecné teorie relativity. Jde o kruhovou oběžnou dráhu fotonů, která podle teorie relativity existuje kolem velmi kompaktních objektů. Světelný prstenec se podstatně liší od horizontu událostí, protože z jeho vnitřních oblastí mohou unikat různé signály. Podle teorie relativity by světelné prstence měly mít všechny kompaktní objekty. Černé díry mají jeden takový prstenec, který vyznačuje jejich charakteristický obrys. Jsou to takzvané „stíny černé díry“ (black hole shadows), které leží těsně za horizontem událostí. Na druhou stranu třeba takové neutronové hvězdy jsou velmi kompaktní, ale ne dost na to, aby světelné prstence vytvořily.
Carloso a jeho kolegové prostřednictvím světelných prstenců studovali různé objekty a zjistili, že pokud je objekt dostatečně kompaktní, má světelné prstence a doznívající části signálu tvořeného gravitačními vlnami, které by měly být prakticky identické s těmi, jež produkují černé díry. Čím kompaktnější objekt je, tím podobnější jsou gravitační signály.
Pochopitelně, že proti takové „kacířské“ teorii se mezi fyziky zvedla vlna vášnivých diskusí a pochybností. Carloso je však kontroval tím, že v jejich teorii figurují velmi exotické objekty, jejichž existence je, na rozdíl od černých děr, zatím stále jen hypotézou. Hlavním úkolem vědců tedy nyní bude zjistit, jestli tyto objekty mohou vůbec vznikat a zda jsou stálé. I když v této fázi se vědci soustřeďovali pouze na jednu část signálu, teď bude potřeba prozkoumat celý signál gravitačních vln včetně části přibližování a spojování. Na dalším výzkumu již vědecká skupina intenzivně pracuje, a tak se snad časem ukáže, zda je hypotéza životaschopná.
Fyzici objevili nový stav molekul vody
Molekuly vody, zachycené například v úzkých kanálcích, existují v kvantové superpozici šesti různých konfigurací, které nejsou ani trochu podobné strukturám volných molekul. Přišli na to američtí a britští fyzici, když použili rozptyl neutronů ke zmapování polohy atomů vodíku v molekulách vody, jež jsou zachycené v minerálu beryl. Ukázalo se, že atomy tunelují mezi šesti různými konfiguracemi. Fyzici našli také důkaz toho, že na rozdíl od normální vody mají uvězněné molekuly nulový elektrický dipólový moment. Tento výzkum se jeví jako velmi důležitý, protože ukazuje, jak se voda chová, když je uzavřená ve velmi malém prostoru, jako jsou třeba membrány živých buněk.
Tunelování je čistě kvantově-mechanický jev, jehož prostřednictvím mohou částice procházet energetickou bariérou, aniž by měly dostatek energie bariéru přeskočit. Fyzici už viděli vodíkové atomy tunelovat z jedné části molekuly do druhé. Například v metylových a čpavkových skupinách se tunelování projeví jako rotace vodíkových atomů kolem osy molekuly. Teď američtí a britští fyzici zjistili, že vodíkové atomy tunelují v jednotlivých molekulách vody, které jsou zachyceny v mikroskopických kanálcích v krystalickém minerálu beryl.
Kanálky jsou široké kolem 0,5 nanometru, což znamená, že jimi v daném okamžiku může procházet pouze jediná molekula vody. Spektroskopické studie prováděné již dříve na frekvencích v řádu terahertzů napovídaly, že ve vodě, jež byla v berylu zachycena, se vyskytuje rotační tunelování. Fyzici tento jev nyní změřili ve dvou nezávislých experimentech – jeden se uskutečnil ve výzkumném zařízení Spallation Neutron Source (SNS) v Oak Ridge a druhý na neutronovém zdroji ISIS v Rutheford Laboratory ve Velké
Tým v SNS ostřeloval molekuly vody obsažené v berylu paprskem nízkoenergetických „studených“ neutronů. Při rozptylu mohly neutrony získat nebo ztratit energii propojením s přechody mezi rotačními stavy atomů vodíku. To vedlo ke vzniku spektra energií neutronů, které mělo sedm jasných píků. Experimenty byly prováděny při teplotách mezi 5 – 50 K, píky se zmenšovaly s ohříváním vzorku. Právě taková závislost se dala očekávat, pokud jsou píky skutečně svázány s tunelováním. S rostoucí teplotou by totiž mohl zvětšující se tepelný pohyb atomů zrušit všechny efekty kvantového tunelování.
Kanálek v berylu připomíná trubici se šesterečným průřezem. Molekula vody má tvar písmene V, kde jsou dva vodíkové atomy připojeny ke kyslíkovému vrcholu. Tým vědců předpokládá, že kyslíkový atom bude ve středu trubice a dva vodíkové atomy budou nad a pod hexagonální rovinou. Existuje šest různých způsobů, jak může být „véčko“ molekuly vody orientováno. Těchto šest možností se vždy liší otočením o 60°. Jelikož mezi těmito šesti konfiguracemi existují energetické bariéry, mohou vodíkové atomy tunelovat z jedné konfigurace do další a výsledkem pak je spektrum rotačních stavů. Výpočty, které vědci provedli, ukazují, že sedm píků, pozorovaných při neutronovém rozptylu, odpovídá přesně přechodům mezi těmito rotačními tunelovými stavy.
Také fyzici ve Velké Británii byli zvědavi na to, jak jsou vodíkové atomy lokalizovány. Tato skupina používala neelastický rozptyl neutronů z ISIS neutronového zdroje. Ostřelováním molekul vody uzavřených v berylu svazkem vysoce energetických neutronů a měřením předávání hybnosti mezi neutrony a jednotlivými vodíkovými atomy tým zjistil rozložení hybnosti a kinetické energie atomů. Konkrétně vědci přišli na to, že kinetická energie atomů je kolem 70 % energie měřené na volných molekulách. To znamená, že poloha atomů vody obsažené v berylu je mnohem „rozmazanější“ než v normální vodě.
Oba týmy došly k závěru, že zachycené molekuly představují nový stav molekul vody. Jedná se o „rozmazaný“ kruh s šesterečnou rotační symetrií. Tým předpokládá, že takové molekuly by neměly mít elektrický dipólový moment. Volné molekuly vody mají elektrický dipólový moment, který je zodpovědný za známé vlastnosti vody, jako je například relativně vysoký bod varu a schopnost vody rozpouštět řadu různých látek. Tento nový výzkum může být velice důležitý pro vysvětlení odlišného chování vody, pokud je uzavřená v malých prostorech, jako jsou například právě již zmíněné membrány živých buněk.
Uhlíkové nanotrubice svítí na fotonické čipy
Německým fyzikům se podařilo použít uhlíkové nanotrubice jako laditelný zdroj světla a zabudovat je do nanovlnovodů. Nanotrubice jsou součástí vlnovodu z fotonického krystalu, který mění elektrický signál na světlo. Fyzici doufají, že jejich práce přispěje k rozvoji optoelektroniky a pomůže k vytváření rychlejších počítačových čipů.
Stejně jako se jistým historickým epochám říká doba kamenná nebo bronzová, té dnešní se možná jednou bude říkat doba počítačová. Každý den se ze všech oborů lidské činnosti valí obrovská množství dat, která se musí zpracovávat, přenášet a vyhodnocovat. Tradiční elektronické počítače na takovou úlohu už nestačí. Proto se počítačoví odborníci soustřeďují na optické telekomunikační systémy, které obsahují integrované optické obvody se specifickými vlastnostmi. Dnes už skutečně řada komunikačních systémů využívá světlo jako nejvýhodnější a nejrychlejší médium pro přenos dat, které je navíc výhodné z hlediska spotřeby energie. Například pro přenos telefonních a internetových signálů se používají kabely z optických vláken. Aby se tyto výhodné vlastnosti světla daly využít v tak malých rozměrech, jako má třeba počítačový čip, musí být k dispozici stabilní zdroj světla v nanorozměrech s takovými optickými vlastnostmi, které se dají dobře nastavit. Je nutné, aby bylo možné zdroj elektronicky spouštět a aby jej šlo snadno připojit ke koncovým zařízením sítě na čipu.
Odborníci z Karlsruhe v Německu nyní s dalšími kolegy udělali důležitý krok od základního výzkumu směrem k aplikacím zabudováním uhlíkových nanotrubic do nanostrukturních vlnovodů. Tím získali možnost měnit přicházející elektrický signál na jasně definovaný optický signál. Když se přiloží elektrické napětí, nanotrubice produkují fotony, které působí jako zdroj světla. Vlnovody byly vyrobeny tak, aby vlnová délka světla, která přenáší data, byla přesně definována. K tomu použili fyzici litografii elektronovým svazkem a vyryli mikrometr dlouhé vlnovody s dutinami o rozměrech nanometrů, jež optické vlastnosti vlnovodů určují. Výsledné fotonické krystaly odrážejí světlo určitých barev.
Co to jsou fotonické krystaly? Fotonické krystaly lze považovat za optickou obdobu elektronických polovodičových krystalů. Jde o periodické struktury s velkými rozdíly permitivity. Fotony se v periodickém dielektrickém prostředí pohybují podobně jako elektrony v periodickém potenciálovém poli. Existuje i zakázaný pás energií fotonů, kde se fotony nemohou šířit a dochází k totálnímu odrazu záření. Zajímavé je, že příroda si už dávno vytvořila obdivuhodné fotonické krystaly, pomocí nichž vytváří zářivé barevné kombinace na křídlech motýlů, v peří ptáků nebo na krovkách některých brouků. Nanostruktury působí jako fotonický krystal a dovolují volit podle přání vlastnosti světla vycházejícího z uhlíkové nanotrubice. Tak je možno na čipu volit světlo požadované barvy.
Němečtí fyzici umístili uhlíkovou nanotrubici mikrometr dlouhou a jeden nanometr širokou na kovový kontakt ve směru kolmém na vlnovod. Nalezli také způsob, kterým mohou být nanotrubice zapojeny do velmi složité struktury. Použitím dielektroforézy dostali uhlíkové nanotrubice z roztoku a umístili je vertikálně vůči vlnovodům. Dielektroforéza je metoda původně používaná v biologii k separování částic použitím nehomogenního elektrického pole. V současné době se často používá k deponování, manipulování a orientování nanočástic.
Tým z Karlsruhe je přesvědčen, že jejich práce ukáže, jak budou uhlíkové nanotrubice schopny plnit požadavky příští generace počítačů, v nichž budou zkombinovány elektronické prvky s nanofotonickými vlnovody. Měnič signálu vytvoří téměř tak sevřený svazek jako laser a reaguje na různé signály s vysokou rychlostí. Uhlíkové nanotrubice představují také dobře laditelné zdroje světla, protože mohou být jednoduše modifikovány změnou délky dutiny.
Vědecký tým poukazuje také na to, že jejich metoda eliminuje rozšíření paprsku světla, které by způsobilo ztrátu informací. Takové rozšíření by potenciálně hrozilo v důsledku zvýšení teploty nebo nějaké povrchové interakce, protože šířka paprsku molekulárního emitoru je určena pouze kvalitou fotonického krystalu. Optoelektronické prvky, které tato skupina vědců vyvinula, mohou být použity k vytvoření optického signálu na frekvenci v řádu gigahertzů, a to z elektrického signálu, který je kompatibilní s aktivními fotonickými sítěmi.
Původní materiály byly uveřejněny v Physical Review Letters, Physics World a Nature Photonics.
Další díly: