Il Cold Atom Lab a bordo della ISS osserva il 5° stato di materia

Per la prima volta il condensato di Bose-Einstein viene osservato in orbita terrestre

Il Cold Atom Lab (CAL), strumento della NASA lanciato verso la ISS nel 2018, ha individuato il 5° stato di materia in orbita terrestre, compiendo un enorme passo in avanti nella comprensione di questa branca probabilistica della fisica.

Come noto, la materia si presenta in quattro forme principali: solido, liquido, gas e plasma. Tuttavia esiste un 5° stato, dalle proprietà del tutto diverse dagli altri, che fu osservato per la prima volta nel 1995 e prende il nome di Condensato di Bose-Einstein.
Questo particolare stato si forma raffreddando a temperature vicine allo zero assoluto una miscela di gas di bosoni a bassa densità. In queste condizioni, la maggior parte dei bosoni tende ad occupare lo stato quantico più basso rendendo visibili macroscopicamente i fenomeni quantistici.

Il Cold Atom Lab è il posto più freddo dell’Universo

La meccanica quantistica governa il mondo microscopico, dove appare naturalmente in forma duale onda-particella.
Per osservare i fenomeni quantistici ed ingrandirli a livello macroscopico, un gas viene raffreddato in laboratorio a frazioni dello 0 Kelvin per fermare idealmente il caotico movimento delle particelle.

ISS 5° stato materia
CAL Mission Timeline
Fonte: JPL

La ricerca è giunta ad un grado di avanzamento tale nelle prestazioni di questi laboratori che la gravità e la pressione sulla superficie terrestre sono diventati gli elementi di maggior disturbo.
Ecco il motivo per cui il Jet Propulsion Laboratory opera il CAL a bordo della ISS per lo studio sul 5° stato della materia.

Sulla Terra, il condensato di Bose-Einstein si mostra macroscopicamente per appena qualche frazione di secondo, a causa della gravità relativamente molto forte.
In orbita bassa invece, vi è una condizione di microgravità causata dal perenne stato di caduta in cui si trova la stazione. Qui gli scienziati, lavorando dalla superficie terrestre fino a 6-7 ore al giorno, hanno a disposizione un ambiente unico in cui riescono ad osservare il condensato per quasi 10 secondi.

Funzionamento del CAL

Il Cold Atom Lab produce delle nuvole di atomi di rubidio, raffreddato a temperature sotto il miliardesimo di grado Kelvin: valore che supera anche quelli ottenuti nei più avanzati laboratori a Terra grazie alla bassissima pressione in orbita. Questo valore di temperatura, contestualizzato anche rispetto alle temperature rilevate nell’Universo, rende il CAL il posto più freddo del cosmo.
Lo strumento del JPL consente di osservare questa nuvola di atomi che manifesta un unico comportamento, non sono più distinguibili singolarmente ma descrivibili come un’onda.

ISS 5° stato materia
Condensato di Bose-Einstein
Fonte: NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY 

Un ambiente come la Stazione Spaziale ha permesso di sostituire i tentativi degli scienziati di riprodurre ambienti di microgravità. Ad esempio vi sono stati tentativi di lancio dello strumento dal tetto di un palazzo o a bordo di un razzo.

Ad inizio del 2020, le due astronaute della NASA Christina Koch e Jessica Meir hanno effettuato un upgrade all’hardware del CAL. Durante la manutenzione una squadra della NASA ha guidato le astronaute nell’installazione di un interferometro atomico. Lo strumento consentirà di effettuare una accurata mappatura della gravità, utilizzando la tecnica di interferometria sui condensati.

In attesa di ulteriori sviluppi della missione, questi risultati permettono di dare un’altra, solida risposta alla domanda: perché spendere per le missioni spaziali?

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