超低温原子のリングが宇宙の膨張を模倣する

・科学者たちはボース-アインシュタイン凝縮を作り出し、それを素早く膨張するリングにしました。

・この超低温原子のリングは、膨張する宇宙の特徴に似ています。

・宇宙現象の実験台として利用することもできます。

 

宇宙が1秒間に約67キロメートルで膨張していることは、誰もが知っていることです。今、科学者たちは、ビッグバン後の宇宙の物理を説明する、興味深い宇宙のアナログを作りました。

 

宇宙の様子を体感しながら研究するのは非常に難しいので、メリーランド大学の研究者たちは、冷たい原子の束を使って、ブラックホールや超伝導体、超固体などの物理システムに似たものを作りました。

 

研究チームは、ボーズ-アインシュタイン凝縮（原子が絶対零度近くまで冷却された物質状態）を作り、それを小さく、急速に膨張するリング状にしました。このリングは、膨張する宇宙の特徴に類似したいくつかの特徴があります。このリングは、宇宙現象の実験室的な実験台として利用できます。

 

研究者が宇宙の未知のものを研究するためにボーズ-アインシュタイン凝縮を作成するのは、今回が初めてではありません。2014年には、ケンブリッジ大学のチームがこれを使ってブラックホールをシミュレートしています。

 

このリングの作りかた

画像元: E. Edwards/JQI

 

ボーズ-アインシュタイン凝縮は、数十万個のナトリウム23原子を絶対零度に近い温度（0ケルビン）まで冷却してつくりました。この凝縮体を、レーザー光を用いてリング状の構造体に閉じ込めました。

 

そして、15ミリ秒かけてリングの直径を23ミクロンから約90ミクロンへと4倍に拡大しました。すると、凝縮液は超音速で成長しました。

 

彼らは、コンデンセート密度、コンデンセート中を伝播するフォノンの周波数と振幅などのデータを収集し、膨張中と膨張後のリングの動きを分析しました。

 

似たような特徴があるのか？

科学者は、宇宙が高速で膨張する際に予想される特徴と非常によく似た3つの特徴を発見しました。

 

1. コンデンセートのフォノンの波長が長くなる点が、宇宙の赤方偏移の効果に似ています。

リングの大きさが拡大すると、ボーズ-アインシュタイン凝縮を伝播する音波の波長が長くなります。これは、宇宙が膨張するにつれて光が赤方偏移（波長が長くなること）するのと同じ現象です。

 

2. ハッブル摩擦に似たダンピング効果。

凝縮液中の音波にはダンピング効果があり、これはハッブル摩擦と呼ばれる宇宙初期における粒子の密度低下に関係していることがわかりました。

 

ボーズ-アインシュタイン凝縮は、膨張すると密度が減少します | S. Eckel et al., Phys. Rev. X

 

3. エネルギー移動のプロセスは、初期宇宙の予熱段階に関係している。

凝縮液の膨張がエネルギー移動の引き金となり、音波はあるタイプから別のタイプに変化しました。具体的にいうと、半径方向の励起モードを局所的な渦に変換し、ボーズ-アインシュタイン凝縮を加熱したのです。

 

物理学的な宇宙論では、これをインフレーションと呼び、急激な膨張期の終わり（あるいは宇宙が通常の膨張率に落ち着く前）に予熱が起こります。これは、インフラトンが他の粒子に変換されるときに起こります。

 

今後の展開は?

これらの研究結果に加え、拡大した凝縮系では、別の興味深い宇宙論的現象が実現する可能性があります。初期の熱揺らぎや量子揺らぎを捉えるイメージング手法を強化することで、真空スケーリングに関連する効果を観測できる可能性があります。

 

特に、宇宙論的な粒子の生成が観測される可能性があります。あらゆる方向への閉じ込めが高いリングは横方向の励起を抑制し、切断された領域の再結合から生じるものを顕在化させます。