Ruda uranowa zawiera 99,38% izotopu uranu 238 i 0,72% izotopu 235. Jądro uranu 235 pod wpływem zderzeń z powolnymi neutronami ulega rozszczepieniu na lżejsze części i powstają dwa lub trzy szybkie, swobodne neutrony oraz wydziela się przy tym energia. Powstałe neutrony po spowolnieniu, mogą dalej powodować reakcję rozszczepienia i taką reakcję nazywamy łańcuchową. Do zmniejszenia prędkości neutronów nadają się substancje o małej liczbie masowej zwane moderatorami (po polsku spowalniaczami). Może to być woda lub lepiej ciężka woda (w której zwykły wodór zastąpiono deuterem), węgiel oraz beryl. Obecnie w naturalnych złożach jest za mało rozszczepialnego izotopu 235 i uran trzeba wzbogacać w ten izotop, by zrobić z niego dobre paliwo. Aby zapoczątkować reakcje, nie trzeba żadnego zapalnika. Od czasu do czasu jądro uranu 235 samo rozpada się na dwie części, powstają przy tym dwa lub trzy neutrony, które mogłyby wywołać rozszczepienie kolejnych jąder uranu. Ale powstałe neutrony muszą być spowolnione i nie może być zbyt dużo substancji pochłaniających neutrony, bo wtedy reakcja sama wygaśnie. Wykorzystano to w reaktorach jądrowych i bombie atomowej.

Położenie złóż Oklo w Gabonie.

Niespodziewanie w niektórych próbkach z Oklo w Gabonie znaleziono aż o połowę mniej uranu 235, niż powinno go tam być. Przypuszcza się, że dwa miliardy lat temu działał tam naturalny reaktor atomowy. Po raz pierwszy stwierdzono to w 1972 roku, a w 2004 roku jak się wydaje, po ponad trzydziestu latach badań naukowcy wreszcie wyjaśnili tę zagadkę.
Atomy uranu są nietrwale i same ulegają naturalnemu rozpadowi. Uran 238 rozpada się wolniej, a 235 szybciej. W tej chwili pozostała mniej więcej połowa z atomów uranu 238, a izotopu 235 jest aż sto razy mniej niż w początkach Ziemi 4,5 mld lat temu.
Dwa miliardy lat temu w naturalnych złożach było proporcjonalnie tyle samo izotopu 235, ile dziś jest w paliwie, które wychodzi z zakładów wzbogacania uranu. Ziemia nie przekształciła się wtedy (lub wcześniej) w gigantyczny reaktor jądrowy ponieważ nie było dobrego spowalniacza i na ogół w złożach znajdowały się substancje pochłaniające neutrony. Odpowiednie warunki mogły się wytworzyć tylko w szczególnych przypadkach.

Nisze w złożach uranowych w Oklo.

Takie warunki pewnie powstały w Gabonie. W złożu uranu w Ohio odkryto kilkanaście nisz, w których przez około 150 tysięcy lat trwały jądrowe reakcje łańcuchowe. Wypaliło się tam około 6 ton uranu 235, a średnia moc tego naturalnego reaktora nie przekraczała 100 kilowatów (to mniej więcej energia, jakiej potrzebuje dziesięć domów jednorodzinnych). Co ciekawe, reakcje nie wymknęły się spod kontroli i nie doszło do wybuchu ani stopienia rudy uranu. Jedna z hipotez mówiła, że regulatorem były pierwiastki ziem rzadkich lub też bor, które pochłaniają neutrony. Ale bardziej prawdopodobny jest udział wody gruntowej, która mogła przedostawać się do złoża. Woda jest dobrym moderatorem, w jej obecności więc reakcje mogły lawinowo narastać. W czasie jądrowej aktywności woda podgrzewała się, zmieniała w parę i jak w gejzerze uchodziła na zewnątrz. To przerywało aktywność reaktora. Kolejny cykl mógł się zacząć dopiero wtedy, kiedy podziemny zbiornik wypełnił się nowym zapasem cieczy. Naturalny reaktor z Oklo rozpalał się i działał przez 30 minut, po czym gasł i przechodził w stan uśpienia na dwie i pół godziny. Potem cykl się powtarzał przez tysiące lat.
Opracowano na podstawie internetowych informacji zamieszczonych w serwisie naukowym Gazety Wyborczej
Informacje o odkryciu można znaleźć na stronie http://www.ans.org/pi/np/oklo/

---

W komputerowej symulacji zderzają się dwie olbrzymie czarne dziury (czerwone kule). Zjawisku temu towarzyszą fale grawitacyjne czyli zaburzenia przestrzeni. Takich fal poszukujemy.

Istnienie fali grawitacyjnych przewiduje ogólna teoria względności Einsteina. Fale grawitacyjne według tej teorii to mikroskopijne zmiany czasoprzestrzeni. W klasycznej teorii grawitacji fala ta objawia się jako rozchodzące się drgania, czyli zmiany pola grawitacyjnego. Fale te rozchodzą się z prędkością światła. Podczas przejścia fali grawitacyjnej odległość między przedmiotami ulega zmianie; na przemian następuje ściskanie przestrzeni i rozciąganie. Dla obiektu o długości 400 kilometrów zmiany długości wynoszą zaledwie 10^-19 metra. Źródłem fal grawitacyjnych są ciała o bardzo dużej masie poruszające się z ogromnymi przyspieszeniami. Uczeni przewidują, że silne fale grawitacyjne powstają w pewnych warunkach w układzie dwóch gwiazd neutronowych, okrążających się wzajemnie, przy wybuchu gwiazdy supernowej oraz w zderzeniach dwóch czarnych dziur lub dwóch gwiazd neutronowych. Chociaż energia fal powstających w powyższych procesach jest bardzo duża to fale grawitacyjne podczas spotkania z materią przenikają ją niemal bez żadnego oddziaływania. Fala ta odkształca wszystko co nas otacza, a więc również na nas samych. I właśnie dlatego niezwykle trudno je wykryć: gdy nadchodzi fala grawitacyjna, zniekształca wszystko a więc również przyrządy, które mają ją mierzyć. Dlatego musi być wyszukana konstrukcja i czułość detektorów grawitacyjnych mysi być bardzo duża. Ponieważ te urządzenia odbierają bardzo dużo szumów, do analizy strumieni danych badacze zamierzają użyć potężne komputery. Obserwacje tak znikomego zaburzenia można by porównać do próby wykrycia przesunięcia się Saturna w kierunku Słońca o odległość równą średnicy atomu wodoru.

Animacja powstania fal grawitacyjnych w wyniku zderzenia się dwóch czarnych dziur

Wykryć fale grawitacyjne uczeni próbowali na wiele sposobów. Obecne detektory wykorzystują technikę interferometrii, czyli nakładania się wiązek świetlnych. Dwie wiązki laserowe wysyłane są wzdłuż dwóch prostopadłych ramion interferometru. Sygnały te nakładają się na siebie czyli ulegają interferencji i powstają miejsca gdzie następuje wygaszenie i wzmocnienie. Obserwacja powstających wzorów interferencyjnych umożliwia po odpowiednich obliczeniach uzyskanie bardzo dokładnych pomiarów zaburzeń przestrzeni. Zmiana w interferencji powracających po odbiciu od luster wiązek zawiera informację o zmianie długości ramion interferometru w wyniku przejścia fali grawitacyjnej.
Obecnie pracuje kilka detektorów fal grawitacyjnych tego typu. Dwa z nich podobne do siebie znajdują się w USA: jeden w Hanford w stanie Waszyngton o długości ramion 4km, a drugi odległy o trzy tysiące kilometrów Livingston w stanie Luizjana, tworząc system detekcyjny LIGO (Laser Interferometr Gravitational Wave Obserwvatory). Jest to amerykańskie centrum badania fal grawitacyjnych. Sygnał pojawienia się fal grawitacyjnych w dwóch detektorach odległych o kilka tysięcy kilometrów pozwala wyeliminować szumy czyli zakłócenia powstałe z różnych przyczyn, na przykład wstrząsów sejsmicznych lub sygnały pochodzące z naszej cywilizacji. Faza testów, która miała pokazać, że przedsięwzięcie jest technologicznie możliwe, trwała w przypadku LIGO od 2002 do 2010 roku. Potem detektory zostały wyłączone i przebudowane. LIGO zaczęły działać na powrót we wrześniu zeszłego roku, od razu z sukcesem, o czym napiszemy poniżej.

Detektor LIGO w Hanford w stanie Waszyngton w USA .

Drugim dużym ośrodkiem jest francusko-włoski VIRGO położony koło Pizy we Włoszech (długość ramion 3km). Detektor Virgo testowany był w latach od 2007 - 2011, a po modyfikacji ponownie zacznie działać pod koniec 2016 roku. Mniejsze detektory fal grawitacyjnych znajdują się w innych ośrodkach: japoński TAMA 300 znajdujący się w Tokio o długości ramion 300m, niemiecko-brytyjski GEO 600 (długość ramion 600m). Wszystkie opisane laboratoria ze sobą ściśle współpracują.
NASA wspólnie z Europejską Agencją Kosmiczną planuje budowę jeszcze bardziej ambitnego obserwatorium fal grawitacyjnych o nazwie LISA. Około 2020 roku mają zostać umieszczone w kosmosie trzy wyposażone w lasery satelity, które utworzyłyby kosmiczny interferometr w kształcie trójkąta równoramiennego o długości ramion ponad 5 mln km, czyli ponad 10 razy więcej niż odległość z Ziemi do Księżyca. LISA nie uzyska większej czułości niż ziemskie laboratoria ale będzie mógł odbierać fale grawitacyjne na znacznie niższych częstotliwościach. Brak będzie za to aktywności sejsmicznej Ziemi i sygnałów naszej cywilizacji wprowadzających mnóstwo szumów.

Artystyczna wizja powstania fal grawitacyjnych w wyniku zderzenia dwóch czarnych dziur ( obraz powstały w wyniku symulacji komputerowej)

W lutym 20016 roku poinformowano o wynikach obserwacji fal grawitacyjnych, powstałych w wyniku zderzenia dwóch czarnych dziur, które nastąpiło 14 września 2015 roku. Zdarzenie nastąpiło 1,3 miliarda lat temu (tyle czasu potrzebowały fale aby dotrzeć do Ziemi). Jedna czarna dziura, równa 29 masom Słońca, i druga równa 36 masom Słońca, wirowały wokół siebie z ogromną prędkością, co pochłaniało ich energię. Dzięki temu zbliżały się do siebie coraz szybciej, rozpędzając się do prędkości równej połowie prędkości światła, aż w końcu zlały się w jedną wielką czarną dziurę równą 62 masom Słońca. W momencie zderzenia, dziury wyemitowały więcej energii, niż cały pozostały Wszechświat, a brakujące 3 masy Słońca zostały wypromieniowane jako fale grawitacyjne. To ich sygnał został zarejestrowany w obu detektorach LIGO na Ziemi. Zarejestrowany proces zderzenia trwał zaledwie 0,2 sekundy ale był niezwykle wyraźny i zgadzał się bardzo dokładnie z modelami przewidzianymi przez ogólną teorię względności Einsteina. Analiza sygnału z uwzględnieniem szumów powstałych z otoczenia trwało prawie pół roku, aby wyeliminować przypadkowość i ewentualne błędy. Jeśli odkrycie zostanie ostatecznie potwierdzone będzie to ostatni dowód na prawdziwość ogólnej teorii względności Einsteina. W ogólnej opinii odkrycie to zasługuje na Nagrodę Nobla z fizyki.
W badaniach brali udział naukowcy z kilkunastu krajów, w tym z Polski. To badacze związani z eksperymentami przy detektorach LIGO w USA oraz Virgo we Włoszech, łącznie ponad 1300 osób. W tym gronie znajduje się zespół 15 Polaków, kierowany przez profesora Andrzeja Królaka z Instytutu Matematycznego Polskiej Akademii Nauk, który odpowiadał za analizę danych oraz modelowanie zjawisk, które wywołują fale grawitacyjne.


Fale grawitacyjne najprawdopodobniej także powstały na początku istnienia Wszechświata i te fale astronomowie próbują również wykryć. Już w 10^-36 sekundy od Wielkiego Wybuchu nastąpił etap inflacji czyli niezwykle gwałtownego rozszerzania się części ówczesnego Wszechświata, który doprowadził do powstania wszystkiego, co dziś nas otacza. Proces ten trwał około 10^-32 sekundy, a w tym czasie rozmiary liniowe Wszechświata wzrosły ponad 10²⁵ razy. Fizycy twierdzą, że musiały wtedy powstać silne fale grawitacyjne rozchodzące się w przestrzeni. Niestety są one na tyle słabe, że ciężko będzie wykryć ich bezpośredni wpływ. Ale za to powinny spowodować zmiany w polaryzacji mikrofalowego promieniowania tła, które powstało 380 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu.

Mapa modu B polaryzacji Mikrofalowego Promieniowania Tła. Kreski oznaczają kierunki polaryzacji w różnych miejscach nieba. Kolory oznaczają stopień skręcenia polaryzacji: zgodnego z kierunkiem ruchu wskazówek zegara (czerwony) i przeciwnego (niebieski).

Zjawisko polaryzacji światła zostało omówione w dziale "Ciekawostki". Przypominając bardzo krótko światło to fala elektromagnetyczna, czyli drgające pole elektryczne i magnetyczne. Zmiany tych pól na ogół w każdym kierunku są całkowicie przypadkowe. Taką falę nazywamy niespolaryzowaną. Jeśli kierunki tych drgań są wyróżnione to jest to fala spolaryzowana.
Pierwszym źródłem polaryzacji promieniowania reliktowego tła były niejednorodności materii z których powstały później galaktyki. Fizycy nazwali to polaryzacją typu E lub modu E. Wykryto je w 2002 przy pomocy teleskopów naziemnych mierząc minimalne różnice w temperaturze promieniowania tła, rzędu jednej stutysięcznej stopnia Kelwina.
Drugim zakłóceniem plazmy, niestety dużo słabszym, były fale grawitacyjne, które w jednych kierunkach ściskały przestrzeń, a w innych ją rozciągały. Okazuje się, że polaryzacja, którą wywołują fale grawitacyjne, ma pewien specyficzny wzór. Gdy przyjrzymy się kierunkowi drgań na przykład pola elektrycznego (zaznaczone są krótkimi kreskami na rysunku obok), to zobaczymy, że ma on kształt "wirów" czyli jest skręcony. Ten wzór polaryzacji nazwano typem lub modem B. Niestety ten typ polaryzacji może również powstawać w wyniku przejścia fali elektromagnetycznej w pobliżu masywnych galaktyk (następuje wtedy soczewkowanie grawitacyjne). Takie spolaryzowane światło jest również emitowane przez ziarna pyłu w naszej galaktyce czyli Drodze Mlecznej. Na razie trudno jest rozróżnić te wymienione źródła polaryzacji.
W marcu 2014 roku ogłoszono na podstawie obserwacji radioteleskopu BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) Teleskopu Bieguna Południowego (South Pole Telescope) umieszczonego na biegunie południowym wykrycie polaryzacji typu B mikrofalowego promieniowania tła. Detektor BICEP-2, który stoi na Antarktydzie na biegunie południowym, od 2010 roku zbierał informacje na temat promieniowania reliktowego. Mierzył różnice jego temperatury z dokładnością do ósmego miejsca po przecinku. Wyniki zgadzały się z przewidywaniami teoretycznymi wpływu fal grawitacyjnych na obraz promieniowania reliktowego tła. Ogłoszono w mediach wykrycie fal grawitacyjnych. Oczywiście ostateczny sukces musiał być jeszcze potwierdzony przez inne niezależne badania. We wrześniu 2014 roku po analizie danych satelity Planck mierzącej rozpowszechnienie ziaren pyły w Drodze Mlecznej, stwierdzono, że podobny wynik polaryzacji typu B promieniowania reliktowego tła może dać emitowane światło pyłu międzygalaktycznego. Ogłoszenie ostatecznego sukcesu wykrycia fal grawitacyjnych zostało więc odroczone. Odkrycie będzie można uznać jeśli zostanie potwierdzone w innych eksperymentach. Wykrycie fal grawitacyjnych byłoby wielkim sukcesem potwierdzającym etap inflacji w Teorii Wielkiego Wybuchu.
Opracowano na podstawie informacji internetowych i artykułu "Sygnał z Wielkiego Wybuchu" zamieszczonego w numerze 6/2014 czasopisma "Świat Nauki".

---

« Poprzednia  Następna »