Πείραμα που ψάχνει για σκοτεινή ύλη ανίχνευσε ανεξήγητο σήμα. Dark Matter Experiment Finds Unexplained Signal

Προτείνονται τρεις πιθανές εξηγήσεις: η μια είναι αδιάφορη, οι άλλες δύο θα προκαλέσουν επανάσταση στην φυσική. Researchers say there are three possible explanations for the anomalous data. One is mundane. Two would revolutionize physics. The heart of the XENON1T detector, which was designed to search for rare interactions with hypothetical particles. Credit: Xenon Collaboration

Το πείραμα αναζήτησης σκοτεινής ύλης XENON1T ανίχνευσε ένα απροσδόκητο σήμα που θα μπορούσε να αντιστοιχεί σε ένα υποθετικό (προς το παρόν) σωματίδιο σκοτεινής ύλης που ονομάζεται αξιόνιο. Εναλλακτικά, τα πειραματικά δεδομένα θα μπορούσαν να εξηγηθούν με ένα νέο είδος νετρίνων. Δυστυχώς όμως υπάρχει και η περίπτωση το σήμα να μην σημαίνει τίποτε και να οφείλεται σε κάποιο συστηματικό σφάλμα. Αν βέβαια το σήμα του XENON1T οφείλεται σε αξιόνια – τον κορυφαίο υποψήφιο σκοτεινής ύλης – ή σε νέου τύπου νετρίνα, θα ήταν πράγματι κάτι πολύ συναρπαστικό.

Πειραματικά δεδομένα από τον ανιχνευτή σκοτεινής ύλης XENON1T. Παρατηρείστε το «καρούμπαλο» που σχηματίζουν τα πειραματικά σημεία τις χαμηλές ενέργειες 1 έως 2 keV. The excess observed in XENON1T in the electronic recoil background at low energies, compared to the level expected from known backgrounds indicated as the red line.

Οι πειραματιστές του XENON1T ανίχνευσαν 53 γεγονότα περισσότερα από τα 232 γεγονότα υποβάθρου που περίμεναν. Αφού απέρριψαν όλες τις πιθανές πηγές σφαλμάτων που μπόρεσαν, εξέτασαν τρεις ερμηνείες που θα ταίριαζαν με το μέγεθος και το σχήμα των δεδομένων τους.

Η πρώτη, και πιο εντυπωσιακή είναι η ανίχνευση αξιονίων, ένα υποθετικό σωματίδιο που παράγεται στο εσωτερικό του ήλιου και μοιάζει με φωτόνιο, αλλά διαθέτει μια ελάχιστη ποσότητα μάζας.

Αν αυτά τα αξιόνια (που ίσως ανιχνεύθηκαν) παράγονται τώρα στον ήλιο δεν θα μπορούσαν να είναι η σκοτεινή ύλη που περιέχεται στο σύμπαν από την εποχή της Μεγάλης Έκρηξης. Αλλά, αν το πείραμα ανιχνεύει ηλιακά αξιόνια, τότε σημαίνει πως υπάρχουν αξιόνια. Αξιόνια που δημιουργήθηκαν στο αρχέγονο σύμπαν και έκτοτε συνιστούν τα συστατικά της σκοτεινής ύλης. Σύμφωνα με τους φυσικούς του XENON1T το σήμα δεν ταιριάζει με τα απλούστερα μοντέλα σκοτεινής ύλης αξιονίων, αλλά μάλλον με πιο περίπλοκα.

Η δεύτερη δυνατότητα είναι το σήμα να οφείλεται σε νετρίνα, τα οποία έχουν μεγάλες μαγνητικές ροπές, που σημαίνει ότι συμπεριφέρονται ως μικροί μαγνήτες. Αλλά νετρίνα με τέτοιες μαγνητικές ροπές σημαίνει νέα φυσική, πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου των στοιχειωδών σωματιδίων.

Elena Aprile, the leader of the XENON experiments, in her laboratory at Columbia University. Ben Sklar for Quanta Magazine

Η τρίτη περίπτωση, είναι το σήμα να οφείλεται στην ραδιενέργεια του τριτίου, ενός ισοτόπου του υδρογόνου, που υπάρχει στην δεξαμενή του πειράματος. Και αυτή η πιθανότητα δεν μπορεί ούτε να επιβεβαιωθεί ούτε να αποκλειστεί σύμφωνα με την δημοσίευση των 163 ερευνητών της ομάδας XENON1T.

Πηγές: Observation of Excess Events in the XENON1T Dark Matter Experiment -  Dark Matter Experiment Finds Unexplained Signal -  Hail the XENON excess - https://physicsgg.me/2020/06/17/

Δημιουργήθηκε η πρώτη τεχνητή σύναψη εγκεφάλου που επικοινωνεί με τα ζωντανά κύτταρα. Artificial synapse that works with living cells created

Επιστήμονες από τις ΗΠΑ και την Ευρώπη ανακοίνωσαν ότι δημιούργησαν, για πρώτη φορά, μία βιοϋβριδική τεχνητή σύναψη εγκεφάλου που μπορεί να επικοινωνήσει με τα ζωντανά εγκεφαλικά κύτταρα. Researchers have created a device that can integrate and interact with neuron-like cells. This could be an early step toward an artificial synapse for use in brain-computer interfaces.

A 2017 photo of Alberto Salleo, associate professor of materials science and engineering, and graduate student Scott Keene characterizing the electrochemical properties of a previous artificial synapse design. Their latest artificial synapse is a biohybrid device that integrates with living cells. Credit: L.A. Cicero/Stanford News Service

Το 2017, ερευνητές του Πανεπιστημίου Στάνφορντ της Καλιφόρνια είχαν παρουσιάσει μία ηλεκτρονική συσκευή από οργανικά υλικά, η οποία αποτελούσε μία τεχνητή μορφή σύναψης, δηλαδή του συνδέσμου ανάμεσα στα εγκεφαλικά κύτταρα (νευρώνες). Το 2019, εννέα τέτοιες τεχνητές συνάψεις είχαν συνδυαστεί σε μία ενιαία διάταξη, που μπορούσε να προγραμματιστεί από κοινού, ώστε να μιμείται την παράλληλη λειτουργία του εγκεφάλου.

Τώρα, οι ερευνητές του Στάνφορντ, σε συνεργασία με συναδέλφους τους από το Ιταλικό Ινστιτούτο Τεχνολογίας και το ολλανδικό Πανεπιστήμιο του Αϊντχόβεν, οι οποίοι έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό για νέα υλικά «Nature Matierals», έδειξαν ότι η πρώτη βιοϋβριδική τεχνητή σύναψη είναι δυνατό να δουλέψει σε συνεργασία με πραγματικά ζωντανά κύτταρα και να επικοινωνήσει μαζί τους.

«Η μελέτη μας δείχνει τη μοναδική δύναμη των νέων υλικών που μπορούν να αλληλεπιδρούν με τη ζώσα ύλη. Τα ζωντανά κύτταρα δεν έχουν πρόβλημα να συνεργαστούν με το μαλακό πολυμερές υλικό της τεχνητής σύναψης. Αλλά η συμβατότητα πηγαίνει ακόμη παραπέρα, καθώς τα νέα υλικά εργάζονται με τα ίδια μόρια που οι νευρώνες χρησιμοποιούν στη φύση», δήλωσε ο καθηγητής Επιστήμης και Μηχανικής των υλικών του Στάνφορντ, Αλμπέρτο Σαλέο.

Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ενώ άλλες νευρο-συσκευές να χρειάζονται αποκλειστικά ένα ηλεκτρικό σήμα για να ανιχνεύσουν και να επεξεργαστούν τα μηνύματα του εγκεφάλου, στην περίπτωση της νέας τεχνητής σύναψης η επικοινωνία της με τα ζωντανά εγκεφαλικά κύτταρα γίνεται με πιο φυσικό τρόπο μέσω ηλεκτροχημείας, καθώς το υβριδικό υλικό λαμβάνει μηνύματα από τα γειτονικά κύτταρα σαν να ήταν νευρώνας και το ίδιο.

Η τεχνητή σύναψη αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια από μαλακό πολυμερές υλικό, διαχωρισμένα από ένα διάλυμα ηλεκτρολύτη, το οποίο παίζει τον ρόλο του μικρού κενού που διαχωρίζει δύο νευρώνες του εγκεφάλου. Ανάμεσα σε αυτό το κενό ταξιδεύουν συνεχώς οι ουσίες νευροδιαβιβαστές (π.χ. ντοπαμίνη), ώστε να επιτυγχάνεται η επικοινωνία μεταξύ των περιοχών του εγκεφάλου.

Όταν ζωντανά εγκεφαλικά κύτταρα τοποθετούνται πάνω σε ένα από τα ηλεκτρόδια, οι νευροδιαβιβαστές που απελευθερώνονται από τα εγκεφαλικά κύτταρα μπορούν να αλληλεπιδράσουν με το ηλεκτρόδιο της τεχνητής σύναψης και να παράγουν ιόντα. Όπως έδειξαν τα πειράματα με τρωκτικά (αρουραίους) που είχαν τέτοιες υβριδικές συνάψεις ενσωματωμένες στον εγκέφαλό τους, αυτά τα ιόντα ταξιδεύουν στο δεύτερο ηλεκτρόδιο και το τροποποιούν, όπως ακριβώς γίνεται η διαδικασία της μάθησης στις βιολογικές συνάψεις του εγκεφάλου.

«Δείξαμε ότι είναι δυνατή η φυσική επικοινωνία που εμπλέκει τόσο τη χημεία όσο και τον ηλεκτρισμό. Είναι το πρώτο μικρό βήμα για μία πραγματική διεπαφή εγκεφάλου-μηχανής», ανέφερε ο δρ Σαλέο. Τέτοιες διεπαφές μελλοντικά θα δοκιμαστούν στην ιατρική, τη νευροεπιστήμη και σε άλλα πεδία.

Πηγές: Keene, S.T., Lubrano, C., Kazemzadeh, S. et al. A biohybrid synapse with neurotransmitter-mediated plasticity. Nat. Mater., 2020 DOI: 10.1038/s41563-020-0703-y - https://scitechdaily.com/artificial-synapse-that-works-with-living-cells-developed-at-stanford/ - https://www.amna.gr/home/article/466891/Dimiourgithike-i-proti-techniti-sunapsi-egkefalou-pou-epikoinonei-me-ta-zontana-kuttara

Η εμφάνιση των δομικών στοιχείων της ζωής προηγείται της δημιουργίας των άστρων. Ingredients for Life Appear in Stellar Nurseries Long Before Stars are Born

Τα πολύπλοκα οργανικά μόρια που θα μπορούσαν να αποτελέσουν δομικά συστατικά της ζωής είναι πολύ πιο κοινά και πανταχού παρόντα από ό,τι πιστευόταν προηγουμένους σε ψυχρά νέφη αερίων και σκόνης που λειτουργούν ως «φυτώρια» άστρων και πλανητών, σύμφωνα με αστρονόμους του University of Arizona Steward Observatory. Using UArizona's radio telescope on Kitt Peak, a team of astronomers probed a vast, cosmic cloud of gas and dust for traces of organic molecules that form the building blocks for life. The team found that such molecules appear hundreds of thousands of years before stars even begin to form. Artist's illustration of complex organic molecules in space. Image: NASA/Jenny Mottar

Τα μόρια αυτά εμφανίζονται επίσης πολύ νωρίτερα από ό,τι πιστευόταν ως τώρα- εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια πριν τα άστρα αρχίσουν να σχηματίζονται, όπως διαπίστωσαν οι ερευνητές. Σε επιστημονικό άρθρο στο The Astrophysical Journal τα σχετικά αποτελέσματα που παρουσιάζονται αμφισβητούν υπάρχουσες θεωρίες, που προϋποθέτουν ένα περιβάλλον που θερμαίνεται από πρωτο-άστρα (άστρα υπό δημιουργία) για να καταστούν παρατηρήσιμα τα πολύπλοκα οργανικά σωματίδια.

Η έρευνα αυτή είναι η πρώτη που αναζητά τα ίχνη δύο πολύπλοκων οργανικών σωματιδίων της μεθανόλης και της ακεταλδεΰδης (αιθανάλης), σε έναν σημαντικό αριθμό πιθανών χώρων σχηματισμού άστρων, αντίθετα με προηγούμενες παρατηρήσεις, οι οποίες εστίαζαν κυρίως σε μεμονωμένα αντικείμενα. Οι προ- αστρικοί ή άνευ άστρων πυρήνες κατονομάζονται έτσι επειδή δεν περιλαμβάνουν ακόμα άστρα, μα υποδεικνύουν περιοχές στο διάστημα όπου ψυχρή σκόνη και αέρια συσπειρώνονται στους «σπόρους» που οδηγούν στην εμφάνιση άστρων και πιθανώς πλανητών.

This image shows a wide-field view of part of the Taurus Molecular Cloud, about 450 light-years from Earth. Its relative closeness makes it an ideal place to study the formation of stars. Many dark clouds of obscuring dust are clearly visible against the background stars. Credit: ESO/Digitized Sky Survey 2/Davide De Martin

Οι ερευνητές εξέτασαν το νέφος αερίων και σκόνης 31 πυρηνών άνευ άστρων που βρίσκονταν σε μια περιοχή σχηματισμού άστρων γνωστή ως μοριακό νέφος του Ταύρου, σε απόσταση περίπου 440 ετών φωτός από τη Γη. Ο κάθε πυρήνας μπορεί να εκτείνεται σε μια απόσταση που θα κάλυπτε 1.000 ηλιακά συστήματα, στημένα το ένα δίπλα στο άλλο.

«Αυτοί οι πυρήνες που παρατηρήσαμε είναι αρκετές εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια από τον αρχικό σχηματισμό ενός πρωτο-άστρου ή πλανητών» είπε η Γιάνσι Σίρλεϊ, αναπληρώτρια καθηγήτρια αστρονομίας, που συνέταξε το άρθρο μαζί με τη διδακτορική Σαμάνθα Σκιμπέλι. «Αυτό μας δείχνει ότι η βασική οργανική χημεία που απαιτείται για τη ζωή είναι παρούσα στα αέρια πριν τον σχηματισμό άστρων και πλανητών».

Αν και η ύπαρξη σωματιδίων τέτοιου είδους (που παρέχουν τα δομικά στοιχεία που είναι απαραίτητα για τη ζωή όπως τη γνωρίζουμε) ήταν γνωστή, ήταν δύσκολο να βρεθούν απαντήσεις σχετικά με το πώς και το πού σχηματίζονται και τους μηχανισμούς με τους οποίους καταλήγουν στις επιφάνειες πλανητών. Όπως είπε η Σκιμπέλι, οι ακριβείς διαδικασίες συζητώνται ακόμα, επειδή τα θεωρητικά μοντέλα δεν αντιστοιχούν ακριβώς σε αυτά που παρατηρούνται. «Με αυτό το άρθρο, μπορούμε να κατανοήσουμε καλύτερα τους μηχανισμούς σχηματισμού που μπορεί να λαμβάνουν χώρα, λέγοντας στους θεωρητικούς πόσο άφθονα είναι αυτά τα μόρια».

The 12-meter radio telescope dish on Kitt Peak. (Photo: Thomas Folkers, Arizona Radio Observatory)

Οι προ-αστρικοί πυρήνες είναι σαν παράθυρα στα αρχικά εξελικτικά στάδια προς την κατεύθυνση της εμφάνισης αστρικών συστημάτων με πλανήτες και πιθανώς μορφές ζωής, σημείωσε η Σκιμπέλι, εκτιμώντας πως πριν από αυτή τη μελέτη λιγότερα από 10 τέτοια αντικείμενα είχαν μελετηθεί για πολύπλοκα οργανικά μόρια. Παρόμοιες παρατηρήσεις συνήθως εστίαζαν μόνο στη μεθανόλη.

Για τους σκοπούς της έρευνας αυτής εξετάστηκαν τα ίχνη των δύο μορίων στο πλαίσιο μιας «εκστρατείας» παρατήρησης διάρκειας 500 ωρών χρόνου παρατήρησης. Μεθανόλη βρέθηκε και στους 31 προ-αστρικούς πυρήνες, και ακεταλδεΰδη στο 70%. Οι ερευνητές το εκλαμβάνουν αυτό ως στοιχείο πως τα πολύπλοκα οργανικά μόρια είναι πολύ πιο κοινά σε περιοχές σχηματισμού άστρων από ό,τι πιστευόταν μέχρι τώρα.

Πηγές: Samantha Scibelli et al. Prevalence of Complex Organic Molecules in Starless and Prestellar Cores within the Taurus Molecular Cloud, The Astrophysical Journal (2020). DOI: 10.3847/1538-4357/ab7375 - https://uanews.arizona.edu/story/ingredients-life-appear-stellar-nurseries-long-stars-are-born - https://www.naftemporiki.gr/story/1608870/ereuna-i-emfanisi-ton-domikon-stoixeion-tis-zois-proigeitai-tis-dimiourgias-ton-astron

Πιθανώς πάνω από 30 «ενεργοί» εξωγήινοι πολιτισμοί στον γαλαξία μας. Scientists say most likely number of contactable alien civilisations is 36

Το ερώτημα περί ύπαρξης ή όχι εξωγήινης νοήμονος ζωής είναι ένα από τα μεγαλύτερα της επιστήμης- και σε σχετική έρευνα που δημοσιεύτηκε στο The Astrophysical Journal επιχειρείται να δοθούν κάποιες «απαντήσεις» σχετικά με τον αριθμό των πολιτισμών που μπορεί να υπάρχουν στον γαλαξία μας. Is there anyone out there? This is an age-old question that researchers have now shed new light on with a study that calculates there could be more than 30 intelligent civilizations throughout our Galaxy. This is an enormous advance over previous estimates which spanned from zero to billions. (Image: Getty)

Ο αριθμός αυτός, βάσει προηγούμενων εκτιμήσεων, κυμαινόταν από το μηδέν μέχρι δισεκατομμύρια- ωστόσο με βάση αυτή την έρευνα, μπορεί να υπάρχουν πάνω από 30 πολιτισμοί στον γαλαξία μας. Η νέα έρευνα θεωρεί πως νοήμονες μορφές ζωής σχηματίζονται σε άλλους πλανήτες με παρόμοιο τρόπο με αυτόν που αυτό συνέβη στη Γη- και αυτό οδηγεί στην εκτίμηση περί άνω των 30 «ενεργών» πολιτισμών με δυνατότητες επικοινωνίας στον γαλαξία όπου βρισκόμαστε.

«Θα έπρεπε να υπάρχουν τουλάχιστον μερικές δεκάδες ενεργοί πολιτισμοί στον γαλαξία μας, αν υποθέσουμε πως χρειάζονται πέντε δισεκατομμύρια χρόνια για τον σχηματισμό νοήμονος ζωής σε άλλους πλανήτες, όπως στη Γη» εξηγεί ο Κρίστοφερ Κονσελάις, καθηγητής Αστροφυσικής στο University of Nottingham. «Η ιδέα είναι να κοιτάξουμε την εξέλιξη, μα σε κοσμική κλίμακα. Αποκαλούμε αυτόν τον υπολογισμό Κοπερνίκειο Αστροβιολογικό Όριο».

Ο Τομ Γουέστμπι, πρώτος συντάκτης της έρευνας, σημειώνει: «Η κλασική μέθοδος υπολογισμού του αριθμού νοήμονων πολιτισμών βασίζεται σε εκτιμήσεις πάνω σε τιμές που σχετίζονται με τη ζωή, ως εκ τούτου οι απόψεις για τέτοια θέματα ποικίλλουν πολύ. Η νέα μας μελέτη απλοποιεί αυτές τις υποθέσεις χρησιμοποιώντας νέα δεδομένα, δίνοντάς μας μια συμπαγή εκτίμηση του αριθμού των πολιτισμών στον γαλαξία μας».

«Τα δύο Κοπερνίκεια Αστροβιολογικά Όρια είναι πως η νοήμων ζωή σχηματίζεται σε κάτω από πέντε δισεκατομμύρια χρόνια, ή μετά από περίπου πέντε δισεκατομμύρια χρόνια- παρόμοια με τη Γη, όπου ένας πολιτισμός με δυνατότητα επικοινωνίας σχηματίστηκε μετά από 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια. Με το ισχυρό κριτήριο πως απαιτείται περιεχόμενο μετάλλου ίσο με αυτό του ήλιου (ο ήλιος είναι, σχετικά μιλώντας, αρκετά πλούσιος σε μέταλλα) υπολογίζουμε πως θα έπρεπε να υπάρχουν περίπου 36 ενεργοί πολιτισμοί στον γαλαξία μας» συμπλήρωσε.

New calculations come up with estimate for worlds capable of communicating with others. We’re listening … but is anything out there? Photograph: Wim Wiskerke/Alamy

Η έρευνα αυτή δείχνει πως ο αριθμός των πολιτισμών εξαρτάται πολύ από το για πόσο στέλνουν ενεργά σήματα για την ύπαρξή τους στο διάστημα, όπως ραδιοσήματα από δορυφόρους, τηλεόραση κ.α. Εάν άλλοι εξελιγμένοι τεχνολογικά πολιτισμοί διαρκούν όσο ο δικός μας, που από αυτή την άποψη βρίσκεται στα 100 χρόνια, τότε θα υπάρχουν περίπου 36 «ζωντανοί», εξελιγμένοι τεχνολογικά, πολιτισμοί ανά τον γαλαξία μας. Ωστόσο η μέση απόσταση προς αυτούς θεωρείται πως θα είναι 17.000 έτη φωτός, κάτι που θα καθιστούσε τον εντοπισμό και την επικοινωνία μαζί τους πολύ δύσκολη με την παρούσα μας τεχνολογία. Επίσης είναι πιθανόν να είμαστε ο μόνος πολιτισμός στον γαλαξία μας, εκτός και αν τα χρονικά διαστήματα επιβίωσης πολιτισμών σαν τον δικό μας είναι πολύ μεγάλα.

«Η νέα μας έρευνα υποδεικνύει πως οι έρευνες για εξωγήινους νοήμονες πολιτισμούς όχι μόνο αποκαλύπτουν πώς σχηματίζεται η ζωή, αλλά και μας δίνουν στοιχεία για το πόσο θα διαρκέσει ο δικός μας πολιτισμός. Αν βρούμε πως η νοήμων ζωή είναι κοινή, τότε αυτό θα αποκάλυπτε ότι ο πολιτισμός μας θα μπορούσε να υπάρξει για πολύ περισσότερο από μερικές εκατοντάδες χρόνια. Εναλλακτικά, αν βρούμε ότι δεν υπάρχουν ενεργοί πολιτισμοί στον γαλαξία μας, είναι κακό σημάδι για την ύπαρξή μας μακροπρόθεσμα. Ψάχνοντας για νοήμονα εξωγήινη ζωή- ακόμα και αν δεν βρούμε τίποτα- ανακαλύπτουμε το δικό μας μέλλον και μοίρα» είπε ο καθηγητής Κονσελάις.

Πηγές: Tom Westby, Christopher J. Conselice. The Astrobiological Copernican Weak and Strong Limits for Intelligent Life. The Astrophysical Journal, 2020; 896 (1): 58 DOI: 10.3847/1538-4357/ab8225 - https://www.theguardian.com/science/2020/jun/15/scientists-say-most-likely-number-of-contactable-alien-civilisations-is-36 - https://www.naftemporiki.gr/story/1608927/ereuna-pithanos-pano-apo-30-energoi-eksogiinoi-politismoi-ston-galaksia-mas

Εγένετο η "πέμπτη κατάσταση της ύλης". One Giant Leap for Quantum Science: Exotic Fifth State of Matter Created on Space Station

Είναι η πρώτη φορά που επιτυγχάνεται στο διάστημα σε περιβάλλον μικροβαρύτητας, ανοίγοντας νέα σελίδα στη μελέτη της ύλης. A new study describes how the mission became the first to make a fifth state of matter in Earth orbit, and the advantages of studying atoms in space. This animated video shows six finely tuned lasers used inside NASA’s Cold Atom Lab to slow down atoms, lowering their temperature. This is step one in a three-step cooling process. Credit: NASA/JPL-Caltech

Ένα πείραμα στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό (ΔΣΣ) από επιστήμονες της Αμερικανικής Διαστημικής Υπηρεσίας (NASA) δημιούργησε την εξωτική κβαντική "πέμπτη κατάσταση της ύλης", ένα υπέρψυχρο αέριο συμπύκνωμα Bose-Einstein. Πρόκειται για επιστημονικό και τεχνολογικό επίτευγμα, καθώς είναι η πρώτη φορά που επιτυγχάνεται κάτι τέτοιο στο διάστημα σε περιβάλλον μικροβαρύτητας, κάτι που επιτρέπει τη μελέτη της ύλης σε συνθήκες πιο ευνοϊκές από εκείνες της Γης.

Astronaut Christina Koch installing the Cold Atom Laboratory on the ISS. NASA/JSC

Το πείραμα έγινε σε ένα από τα πιο κρύα μέρη στο σύμπαν, σε μία συσκευή μεγέθους βαλίτσας (Cold Atom Laboratory-CAL), που είχε εκτοξευθεί στον ΔΣΣ το 2018. Το εν λόγω μίνι-εργαστήριο ψύχει άτομα ρουβιδίου σε έναν θάλαμο κενού, χρησιμοποιώντας φως λέιζερ για να επιβραδύνει την κίνησή τους. 

H συμπύκνωση Bose–Einstein στην Γη και στο διάστημα: a, Άτομα σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν (–273 ^οC) σε μια μαγνητική παγίδα μπορούν να σχηματίσουν μια κατάσταση της ύλης που ονομάζεται συμπύκνωμα Bose–Einstein, το οποίο εμφανίζει εμφανή κβαντικά χαρακτηριστικά συμπεριφερόμενο σαν ένα υλικό κύμα. Μια βαθιά παγίδα μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην Γη (όπου η βαρύτητα επηρεάζει το σχήμα της παγίδας), αλλά και στο διάστημα. Όμως, όταν το συμπύκνωμα απελευθερώνεται από την παγίδα και αφήνεται ελεύθερο να κινηθεί, μετά από λίγο χρόνο τα κυματικά χαρακτηριστικά της ύλης χάνονται. b,  Μια ρηχή παγίδα δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην Γη γιατί τα άτομα δεν μπορούν να συγκρατηθούν μεταξύ τους κόντρα στην βαρυτική έλξη της Γης. Οι Aveline et al  στην  εργασία τους με τίτλο «Observation of Bose–Einstein condensates in an Earth-orbiting research lab» έδειξαν ότι μια τέτοια παγίδα μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο διάστημα και στο ίδιο χρονικό διάστημα με το αντίστοιχο πείραμα στη Γη η ύλη να διατηρεί τον κυματικό της χαρακτήρα. c, Ένα συμπύκνωμα Bose–Einstein θα μπορούσε να περιοριστεί κατά μήκος της επιφάνειας μιας σφαιρικού σχήματος παγίδας στο διάστημα, όχι όμως στη Γη, όπου τα άτομα του συμπυκνώματος συσσωρεύονται στο κάτω ημισφαίριο της παγίδας. Bose–Einstein condensates on Earth and in space. a, Ultracold atoms in a magnetic trap can form a state of matter called a Bose–Einstein condensate, which can be considered as a single matter wave. A deep trap can be used on Earth (where the planet’s gravitational pull affects the trap’s shape) and in space. However, when the condensate is released from the trap and allowed to expand freely for a relatively long fixed time, the matter-wave signal is lost. b, A shallow trap cannot be used on Earth because the atoms cannot be held together against the planet’s gravitational pull. Aveline et al. found that such a trap can be used in space, and that the resulting matter-wave signal is retained after the same expansion time as in a, owing to a slower expansion rate. c, A Bose–Einstein condensate could be confined uniformly across the surface of a bubble-shaped trap in space but not on Earth, where the atoms accumulate at the trap’s base.

Στη συνέχεια, μαγνητικά πεδία συγκρατούν και «παγιδεύουν» το πυκνό νέφος των ατόμων, που έχει θερμοκρασία κοντά στο απόλυτο μηδέν (μείον 273 βαθμοί Κελσίου), με τελικό αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός συμπυκνώματος Bose-Einstein.

Atoms are usually arranged in a certain order to create a liquid, solid, gas or plasma - but in 1925 Albert Einstein and Satyendra Nath Bose said cold enough atoms would lose their individuality and clump together. They called the resulting matter Bose-Einsten condensate - here it can be seen under the microscope after being created on the ISS.

Τα εν λόγω συμπυκνώματα είχαν προταθεί θεωρητικά ως πέμπτη κατάσταση της ύλης (μετά τα στερεά, τα υγρά, τα αέρια και το πλάσμα) στις αρχές της δεκαετίας του 1920 από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν και τον Ινδό Σατιέντρα Ναθ Μπόουζ, από όπου πήραν και το όνομά τους. Στην πράξη παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά πριν 25 χρόνια.

Το πολύ κρύο νέφος παύει να συμπεριφέρεται όπως τα επιμέρους άτομα και σωματίδια, αλλά μάλλον ως μία ενιαία οντότητα με κβαντικές ιδιότητες, όπου κάθε σωματίδιο λειτουργεί, επίσης, και ως κύμα. Το όλο συμπύκνωμα μπορεί, πλέον, να θεωρηθεί ως ένα ενιαίο κύμα ύλης. Ορισμένοι επιστήμονες θεωρούν ότι αυτά τα συμπυκνώματα μπορούν να παράσχουν ζωτικές ενδείξεις για μυστήρια της Φυσικής, όπως η σκοτεινή ενέργεια.

The velocity-distribution data for gaseous rubidium atoms which confirmed the discovery of the Bose–Einstein condensate in 1995. (Image: © NIST/JILA/CU-Boulder)

Η εν λόγω "εξωτική" κατάσταση της ύλης έχει δημιουργηθεί από πολλούς επιστήμονες σε διάφορα πειράματα από το 1995 και μετά στη Γη, όπου, όμως, λόγω της βαρύτητας, το συμπύκνωμα μπορεί να δημιουργηθεί μόνο για κλάσματα του δευτερολέπτου. Αντίθετα, όπως έδειξε το πείραμα στον ΔΣΣ, στο διάστημα -με την πολύ μικρότερη βαρύτητα- η πέμπτη κατάσταση της ύλης παραμένει σταθερή για μερικά δευτερόλεπτα, οπότε μπορεί να μελετηθεί καλύτερα.

How do you cool atoms down to almost absolute zero, or the temperature at which atoms should stop moving entirely? Members of NASA’s Cold Atom Lab team explain. Credit: NASA/JPL-Caltech

Το ευρισκόμενο σε εξέλιξη πείραμα CAL πραγματοποιείται εξ αποστάσεως με επικεφαλής τον Ρόμπερτ Τόμσον του Εργαστηρίου Αεριώθησης (JPL) του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνια (Caltech) και της Αμερικανικής Διαστημικής Υπηρεσίας (NASA), και τα πρώτα αποτελέσματά του παρουσιάστηκαν σε δημοσίευση στο «Nature».

Στο μέλλον, οι ερευνητές ελπίζουν να χρησιμοποιήσουν το πείραμα για να παρακολουθήσουν τα άτομα να συγκρούονται σε κβαντικό επίπεδο, καθώς, επίσης, να ανιχνεύσουν κατά πόσο πιθανές «ρυτιδώσεις» του χωροχρόνου που προκαλούν τα βαρυτικά κύματα, επιδρούν στην κίνηση των ατόμων. Ακόμη, θα ελεγχθεί κατά πόσο η μικροβαρύτητα παραβιάζει την αρχή ισοδυναμίας του Αϊνστάιν, σύμφωνα με την οποία όλες οι μάζες σε ένα βαρυτικό πεδίο επιταχύνονται με τον ίδιο τρόπο.

Πηγές: Nature, s41586-020-2346-1 DOI: 10.1038/s41586-020-2346-1 - https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7677&fbclid=IwAR2iDZd4g-s-Yt6BD-FcYL2bZnHvqGrey6LhgQL1-CU0bwePsWYMB75SO1w - https://scitechdaily.com/one-giant-leap-for-quantum-science-exotic-fifth-state-of-matter-created-on-space-station/ - https://tvxs.gr/news/sci-tech/egeneto-i-pempti-katastasi-tis-ylis-simantiko-epiteygma-tis-nasa

Τεχνητό μάτι με δυνατότητες που ξεπερνούν αυτές του ανθρώπινου. World-first 3D bionic eye could enable superhuman sight, night vision

To πρώτο στον κόσμο 3D τεχνητό μάτι με δυνατότητες ανώτερες από αυτές των υπαρχόντων βιονικών ματιών και, σε κάποιες περιπτώσεις, ακόμα και των ανθρώπινων, ανέπτυξε διεθνής ομάδα επιστημόνων στο Hong Kong University of Technology (HKUST), δημιουργώντας νέες ελπίδες για τους ασθενείς με προβλήματα όρασης. Scientists have developed the world's first 3D artificial eye with capabilities better than existing bionic eyes and in some cases, even exceed those of the human eyes, bringing vision to humanoid robots and new hope to patients with visual impairment. A new bionic eye called the Electrochemical Eye (EC-Eye) resembles the real thing. Credit: Hong Kong University of Science and Technology (HKUST)

Διεθνής ομάδα επιστημόνων με επικεφαλής ερευνητές του Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας του Χονγκ Κονγκ (HKUST) ανέπτυξε το πρώτο τρισδιάστατο τεχνητό μάτι στον κόσμο. Ο τεχνητός αυτός οφθαλμός υπερέχει όλων των υπαρχόντων βιονικών ματιών ενώ σε κάποιες περιπτώσεις ξεπερνά σε δυνατότητες ακόμη και το ανθρώπινο μάτι. Το νέο επίτευγμα υπόσχεται να προσφέρει «υπεράνθρωπη» όραση ακόμη και τη νύχτα, να χαρίσει όραση στα ανθρωποειδή ρομπότ ενώ επίσης δίνει ελπίδα σε ασθενείς με προβλήματα όρασης.

Επί δεκαετίες οι επιστήμονες προσπαθούν να αντιγράψουν τη δομή και την ευκρίνεια του ανθρώπινου οφθαλμού. Ωστόσο η όραση που παρέχουν οι υπάρχοντες τεχνητοί οφθαλμοί – οι οποίοι στην πλειονότητά τους έχουν τη μορφή γυαλιών συνδεδεμένων με εξωτερικά καλώδια – είναι χαμηλής ανάλυσης με δισδιάστατους επίπεδους αισθητήρες των εικόνων.

Το Ηλεκτροχημικό Μάτι

Named EC-EYE — short for 'ElectroChemical EYE' — the eerie bio-mimetic device is around an inch wide and was built by researchers from Hong Kong and the US. Credit: Hong Kong University of Science and Technology (HKUST)

Το νέο τεχνητό μάτι που αναπτύχθηκε από τους ειδικούς του HKUST και τους συνεργάτες τους ονομάζεται Ηλεκτροχημικό Μάτι (Electrochemical Eye, EC-Eye) και αντιγράφει για πρώτη φορά με κάθε λεπτομέρεια τη δομή ενός φυσικού ματιού. Εκτιμάται ότι θα μπορεί να προσφέρει στο μέλλον οξύτερη όραση από τα ανθρώπινα μάτια με επιπλέον δυνατότητες, όπως η ικανότητα ανίχνευσης της υπέρυθρης ακτινοβολίας στο σκοτάδι.

Professor Fan and colleagues broke new ground by developing a high-density array of photosensors that serves as a retina. They are formed directly inside pores of aluminium oxide — a chemical almost as hard as diamonds. Thin, flexible wires made of a liquid metal sealed in soft rubber tubes transmit signals to external circuitry for processing — imitating neural nerve fibres. The 'retina' is held in place by a socket made from a silicone polymer. A lens with a simulated iris is placed at the front, giving it the appearance of an eyeball.

Το στοιχείο-«κλειδί» που χαρίζει στο ΕC-Eye τέτοιες δυνατότητες είναι ο 3D αμφιβληστροειδής χιτώνας που διαθέτει ο οποίος είναι φτιαγμένος από μια συστοιχία φωτοαισθητήρων φτιαγμένων από νανοκαλώδια που μιμούνται τους φωτοϋποδοχείς του ανθρώπινου αμφιβληστροειδούς. Ο τρισδιάστατος αυτός αμφιβληστροειδής αναπτύχθηκε από τον καθηγητή Ζιγιόνγκ Φαν και τον δρα Λέιλέι Γκου του Τμήματος Ηλεκτρονικής Μηχανικής και Μηχανικών Υπολογιστών στο HKUST.

A cross section of the makeup of the Electrochemical Eye (EC-Eye). HKUST

Οι ερευνητές συνέδεσαν τους φωτοαισθητήρες από νανοκαλώδια με καλώδια υγρού μετάλλου τα οποία είχαν τον ρόλο των νεύρων, πίσω από τον τεχνητό ημισφαιρικό αμφιβληστροειδή που δημιούργησαν. Κατάφεραν έτσι να αντιγράψουν τη μεταφορά του οπτικού σήματος ώστε να αντικατοπτρίζει αυτό που το μάτι έβλεπε σε μια οθόνη υπολογιστή. Στο μέλλον, οι φωτοαισθητήρες από νανοκαλώδια θα μπορούν να συνδέονται απευθείας με τα νεύρα ασθενών που εμφανίζουν βλάβες στην όραση.

Υπεροχή έναντι του ανθρώπινου ματιού

A bionic eye (pictured in this artist's impression) that is as sensitive as the human retina could give millions of people the chance to see again — and will be available in just five years.

Το νέο τεχνητό τρισδιάστατο μάτι εμφανίζει σημαντικά πλεονεκτήματα σε σύγκριση με το ανθρώπινο. Στον ανθρώπινο οφθαλμό οι δέσμες των οπτικών ινών που είναι απαραίτητες για τη μετάδοση του οπτικού σήματος στον εγκέφαλο διαπερνούν τον αμφιβληστροειδή χιτώνα μέσω ενός πόρου με αποτέλεσμα να δημιουργείται ένα τυφλό σημείο στην όραση. Οι φωτοαισθητήρες του τεχνητού οφθαλμού είναι όμως διάσπαρτοι σε ολόκληρο τον τεχνητό αμφιβληστροειδή και ο καθένας τους μπορεί να μεταδώσει σήματα μέσω του καλωδίου υγρού μετάλλου που διαθέτει. Με τον τρόπο αυτό καταργείται το τυφλό σημείο στην όραση αφού τα νανοκαλώδια δεν περνούν όλα από ένα σημείο.

Επιπλέον, καθώς τα νανοκαλώδια έχουν μεγαλύτερη πυκνότητα από τους φωτοϋποδοχείς του ανθρώπινου ματιού, ο τεχνητός αμφιβληστροειδής μπορεί να λαμβάνει περισσότερα σήματα και πιθανώς να επιτυγχάνει καλύτερη ανάλυση των εικόνων σε σύγκριση με τον ανθρώπινο αμφιβληστροειδή. Εκτιμάται επίσης ότι με χρήση διαφορετικών υλικών τα οποία θα αυξάνουν την ευαισθησία των αισθητήρων, το τεχνητό μάτι θα επιτύχει στο μέλλον να διαθέτει λειτουργίες όπως η νυχτερινή όραση.

Η ερευνητική ομάδα του HKUST η οποία χρειάστηκε εννέα ολόκληρα χρόνια για την ανάπτυξη του τρισδιάστατου τεχνητού ματιού συνεργάστηκε με ειδικούς του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϊ στη συγκεκριμένη μελέτη που δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «Nature».

Το επόμενο βήμα για τους ερευνητές, όπως ανέφερε ο επικεφαλής τους καθηγητής Φαν είναι «να βελτιώσουμε περαιτέρω την απόδοση, τη σταθερότητα και τη βιοσυμαβότητα της συσκευής μας».

Σαν μια νανο-ηλιακή κυψέλη

The artificial eyeball creates images by means of an assortment of tiny sensors that mirror the light-detecting photoreceptor cells of its natural counterpart. These are packed into a membrane of aluminium and tungsten that is shaped into a half sphere — mimicking a retina.

Η φιλοσοφία πίσω από το νέο τεχνητό μάτι βασίζεται σε μια ηλεκτροχημική διαδικασία την οποία υιοθετεί ένας τύπος ηλιακής κυψέλης. Θεωρητικώς, κάθε φωτοαισθητήρας του τεχνητού αμφιβληστροειδούς μπορεί να λειτουργήσει ως μια νανο-ηλιακή κυψέλη. Με κάποιες περαιτέρω τροποποιήσεις, το EC-Eye μπορεί να γίνει ένας αισθητήρας εικόνων ο οποίος θα αυτοτροφοδοτείται με ενέργεια χωρίς να χρειάζεται κάποια εξωτερική πηγή ενέργειας. Το γεγονός αυτό αναμένεται να τον καταστήσει πολύ πιο εύκολο στη χρήση σε σύγκριση με τους υπάρχοντες τεχνητούς φωτοαισθητήρες που χρησιμοποιούνται σε άτομα με προβλήματα στην όραση.

Πηγές: Leilei Gu, Swapnadeep Poddar, Yuanjing Lin, Zhenghao Long, Daquan Zhang, Qianpeng Zhang, Lei Shu, Xiao Qiu, Matthew Kam, Ali Javey, Zhiyong Fan. A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina. Nature, 2020; 581 (7808): 278 DOI: 10.1038/s41586-020-2285-x - https://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-8340327/Bionic-eye-sensitive-human-retina-millions-chance-again.html - https://www.tovima.gr/2020/06/12/science/to-proto-3d-texnito-mati/

Η χαμηλότερη θερμοκρασία του Φόβου. Three New Views of Mars' Moon Phobos

Καταγράφηκαν οι χαμηλότερες θερμοκρασίες που έχουν μετρηθεί μέχρι σήμερα στον Φόβο, με τη χαμηλότερη να είναι περίπου μείον 123 βαθμούς Κελσίου. These six views of the Martian moon Phobos were captured by NASA's Odyssey orbiter as of March 2020. The orbiter's infrared camera, the Thermal Emission Imaging System (THEMIS), is used to measure temperature variations that provide insight into the physical properties and composition of the moon. Chronologically, the views represent waxing, waning and full views of the moon. On Feb. 25, 2020, Phobos was observed during a lunar eclipse, where Mars' shadow completely blocked sunlight from reaching the moon's surface. This provided some of the coldest temperatures measured on Phobos to date: The coldest measured was about minus189 degrees Fahrenheit (minus123 degrees Celsius). On March 27, 2020, Phobos was observed exiting an eclipse, when the surface was still warming up. Image credit: NASA/JPL-Caltech/ASU/NAU

Νέες εικόνες του Φόβου, του δορυφόρου του Άρη, καταγράφηκαν από την κάμερα υπερύθρων ΤΗΕMIS του διαστημικού σκάφους της NASA Οδύσσεια. Η κάμερα ΤΗΕMIS καταγράφει τις θερμοκρασιακές μεταβολές οι οποίες υποδεικνύουν από τι είδους υλικό είναι φτιαγμένος ο δορυφόρος.

Μια εικόνα που ελήφθη στις 25 Φεβρουαρίου 2020, δείχνει τον Φόβο καθώς βρίσκεται σε έκλειψη, όπου η σκιά του Άρη εμποδίζει το φως του ήλιου να φτάσει στην επιφάνεια του δορυφόρου. Έτσι, καταγράφηκαν οι χαμηλότερες θερμοκρασίες που έχουν μετρηθεί μέχρι σήμερα στον Φόβο, με τη χαμηλότερη να είναι περίπου μείον 123 βαθμούς Κελσίου. Οι υπέρυθρες απεικονίσεις από τον αισθητήρα υπερύθρων χρωματίζονται έτσι ώστε να δείχνουν τις θερμοκρασιακές μεταβολές και επικαλύπτονται από εικόνες ορατού φωτός ώστε να φαίνεται η γεωλογική μορφή της επιφάνειας.

This movie shows three views of the Martian moon Phobos as viewed in visible light by NASA's 2001 Mars Odyssey orbiter. The apparent motion is due to movement by Odyssey's infrared camera, Thermal Emission Imaging System (THEMIS), rather than movement by the moon. Credit: NASA/JPL-Caltech/ASU/SSI

Η Οδύσσεια βρίσκεται γύρω από τον Άρη από το 2001. Καταγράφει χιλιάδες εικόνες της επιφάνειας του Άρη κάθε μήνα, οι οποίες βοηθούν τους επιστήμονες να επιλέξουν τοποθεσίες προσγείωσης και εξερεύνησης μελλοντικών αποστολών.

Πηγές: https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?release=2020-106 - https://physicsgg.me/2020/06/08/