Квантово торнадо в ранната Вселена обяснява появата на галактиките

Екип специалисти, състоящ се от 44-ма физици и химици от САЩ, Германия и Китай, изучили свойствата на свръхфлуидността (тоест движение без триене) на микрокапки течен хелий.

Въртенето на такива обекти напомнило на учените торнадото в природата. Както смятат някои автори, по аналогичен начин може да се е държала материята на ранните етапи от еволюцията на Вселената.

Резултатите от изследването са публикувани в сп. Science, а накратко с него можете да се запознаете на сайта на Станфордския линеен ускорител.

Учените открили, че свръхфлуидната течност в микрокапките се движи кръгово. Въртенето протичало с честота до два милиона оборота в секунда и водело до деформация на капката към форма на дебел диск.

Специалистите забелязали, че от една страна, деформацията на капките напомня тази на Земята вследствие на нейното въртене около своята ос. От друга страна, в капките със свръхфлуидно вещество се наблюдава появата на множество вихри. В микрокапките вихрите са опаковани до сто хиляди пъти по-плътно, отколкото в капките с по-голям размер.

По такъв начин съчетаването на въртенето на сплесканата капка като цяло с равномерното разпределение на вихрите в нея води дотам, че дискът със свръхфлуидната течност издържа доста големи скорости на въртене, при които не се разрушава.

Специалистите работели с хелий-4 – изотоп на хелия (с два протона и два неутрона), който при температура под -271 градуса по Целзий преминава в свръхфлуидно състояние. Ако такова вещество се постави в открит съд, то след известно време той започва да изтича от него.

Наблюденията на учените са провеждани с използването на фемтосекундна рентгенова томография. За тази цел във вакуумна камера със скорост около 200 метра в секунда се впръсквали капки, които се охлаждали от изпарението на част от хелия.

Изминавайки няколко милиметра, веществото в такива капки се охлаждало до свръхфлуидно състояние, и веднага се облъчвало с разер (рентгенов лазер – квантов генератор в рентгеновия диапазон) с фемтосекундна честота на импулсите.

Въртенето на веществото било наблюдавано, анализирайки дифракцията на рентгеновото лъчение от капките. За да забележат вихрите в тях, учените добавили ксенонови атоми в течния хелий, които разсейват лъчението по-силно от хелия, и така дават възможност да се наблюдава вихровото движение.

Специалистите изучавали въртенето на единичните капки на свръхфлуидния течен хелий, съдържащ от сто милиона до сто милиарда атома. Размерите на такива микрокапки били от 0,2 до две хилядни от милиметъра.

Както се смята, работата на учените ще помогне по-добре да се разбере не само свръхфлуидността, но и свръхпроводимостта (при която електричното съпротивление спада до нула), а също образуването на кондензат на Бозе–Айнщайн – образувание от бозони (клас частици, към които например се отнасят фотоните – кванти на светлината), намиращи се в основно състояние (тоест с минимална енергия) и проявяващи се като една микроскопична частица.

Понякога такова образувание се нарича пето състояние на веществото след твърдото, течното, газообразното и плазмата.

Някои физици смятат, че след малко след Големия взрив веществото на Вселената е било подобно на свръхфлуидна течност. Според тях появата на флуктуации във вид на вихри може да е довело до образуването на ранните галактики.

В бъдеще учените планират да изучат механизма на клъстеризация в микрокапките и ролята на вихрите в тях.