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Les cristaux coulombiens entourés de molécules sont utilisés au Laboratoire Lewandowski pour étudier les réactions astrochimiques. Crédit : Stephen Burroughs/Olivia Krohn et le groupe Lewandowski
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Les cristaux coulombiens entourés de molécules sont utilisés au Laboratoire Lewandowski pour étudier les réactions astrochimiques. Crédit : Stephen Burroughs/Olivia Krohn et le groupe Lewandowski
Même si cela ne semble pas être le cas, l’espace interstellaire entre les étoiles n’est pas du tout vide. Des atomes, des ions, des molécules et bien plus encore existent dans cet environnement éthéré connu sous le nom de milieu interstellaire (ISM). L’ISM fascine les scientifiques depuis des décennies, avec au moins 200 molécules uniques formées dans son environnement froid et basse pression. C'est un sujet qui relie les domaines de la chimie, de la physique et de l'astronomie, car les scientifiques de chaque domaine travaillent pour déterminer les types de réactions chimiques qui s'y produisent.
Passons maintenant à la couverture de l'article Journal de chimie physique AHeather Lewandowski, boursière de la JILA et professeure de physique à l'Université du Colorado à Boulder, et Olivia Krohn, ancienne étudiante diplômée de la JILA, mettent en avant leur travail visant à imiter les conditions ISM à l'aide de cristaux de Coulomb, une structure pseudo-cristalline froide, pour observer les ions et les molécules neutres interagir les uns avec les autres.
Grâce à leurs expériences, les chercheurs ont pu résoudre la dynamique chimique des réactions neutres des ions en utilisant le microrefroidissement laser et la spectrométrie de masse pour contrôler les états quantiques, leur permettant ainsi de simuler avec succès les réactions chimiques ISM. Leurs travaux rapprochent les scientifiques de la réponse à certaines des questions les plus profondes sur l’évolution chimique de l’univers.
Filtrage par énergie
« Ce domaine réfléchit depuis longtemps aux réactions chimiques qui seront les plus importantes pour nous renseigner sur la composition du milieu interstellaire », explique Cron, premier auteur de l'étude.
« Un groupe vraiment important est celui des interactions moléculaires neutres des ions. Et c'est exactement à cela que convient ce dispositif expérimental du groupe Lewandowski, non seulement pour étudier les interactions chimiques neutres des ions, mais également à des températures relativement froides. »
Pour commencer l'expérience, Krohn et d'autres membres du groupe de Levandowski ont chargé un piège à ions dans une chambre à très vide avec différents ions. Les molécules neutres ont été présentées séparément. Même s’ils savaient quels réactifs seraient utilisés dans une expérience chimique de type ISM, les chercheurs n’étaient pas toujours sûrs des produits qui seraient produits. En fonction de leur test, les chercheurs ont utilisé différents types d'ions et de molécules neutres similaires à ceux trouvés dans l'ISM. Cela inclut CCl+ Ions fragmentés de tétrachloroéthylène.
« CCl+ On s’attend à ce qu’il se situe dans différentes régions de l’espace. « Mais personne n'a pu tester efficacement son interaction par le biais d'expériences sur Terre, car c'est très difficile à réaliser », ajoute Krohn. « Il faut le décomposer du tétrachloroéthylène avec un laser ultraviolet. Cela crée toutes sortes de fragments ioniques, pas seulement du CCl. »+« Cela pourrait compliquer les choses. »
Soit en utilisant du calcium, soit du CCl+ Ions Le dispositif expérimental a permis aux chercheurs de filtrer les ions indésirables à l'aide d'une excitation résonante, laissant derrière eux les produits chimiques réactifs.
« Vous pouvez secouer le piège à une fréquence qui correspond au rapport masse/charge d'un ion particulier, ce qui le fait sortir du piège », explique Krohn.
Refroidissement laser pour former des cristaux coulombiens
Après filtration, les chercheurs ont refroidi leurs ions en utilisant un processus appelé refroidissement Doppler. Cette technologie utilise la lumière laser pour réduire le mouvement des atomes ou des ions, les refroidissant efficacement en exploitant l'effet Doppler pour ralentir préférentiellement le mouvement des molécules vers le laser de refroidissement.
Lorsque le refroidissement Doppler a abaissé la température des particules jusqu'à des niveaux millikelvins, les ions se sont organisés en une structure pseudo-cristalline, un cristal coulombien, maintenu en place par des champs électriques à l'intérieur de la chambre à vide. Le cristal coulombien résultant avait une forme ellipsoïde avec des particules plus lourdes reposant dans une coquille à l'extérieur des ions calcium, poussées hors du centre du piège par les particules plus légères en raison des différences dans les rapports masse/charge.
Grâce au piège profond contenant les ions, les cristaux coulombiens peuvent rester piégés pendant des heures, et Krohn et son équipe peuvent les imager dans ce piège. En analysant les images, les chercheurs ont pu identifier et surveiller l’interaction en temps réel, et voir les ions s’organiser en fonction de leurs rapports masse/charge.
L’équipe a également déterminé la dépendance de l’état quantique de l’interaction des ions calcium avec l’oxyde nitrique en affinant les lasers cryogéniques, ce qui a permis de produire des combinaisons relatives spécifiques d’états quantiques pour les ions calcium piégés.
« Ce qui est amusant, c'est qu'il tire parti de l'une des techniques les plus spécifiques de la physique atomique pour examiner les interactions quantiques, ce qui, je pense, constitue un peu plus le cœur de la physique dans les trois domaines : chimie, astronomie et physique. , même si les trois sont ce qu'ils sont toujours impliqués.
Le timing est primordial
Outre la filtration par piège et le refroidissement Doppler, une troisième technique expérimentale a aidé les chercheurs à simuler les interactions ISM : une configuration de spectrométrie de masse à temps de vol (TOF-MS). Dans cette partie de l’expérience, une impulsion à haute tension a accéléré les ions à travers le tube de vol, où ils ont heurté un détecteur à plaque à microcanaux. Les chercheurs ont pu identifier les particules dans le piège en fonction du temps nécessaire aux ions pour atteindre la plaque et de leurs techniques d'imagerie.
« Grâce à cela, nous avons pu réaliser deux études différentes dans lesquelles nous avons pu résoudre les masses adjacentes pour les ions réactifs et produits », ajoute Kron.
Ce troisième bras de l'appareil expérimental de la chimie ISM a encore amélioré la précision, car les chercheurs disposent désormais de plusieurs moyens pour identifier les produits créés dans les réactions de type ISM et leurs masses spécifiques.
Le calcul de la masse des produits potentiels était particulièrement important, car l’équipe était alors en mesure d’échanger les réactifs initiaux avec des isotopes de masses différentes et de voir ce qui se passait.
Comme l'explique Krohn : « Cela nous permet de jouer des tours sympas comme remplacer des atomes d'hydrogène par des atomes de deutérium ou remplacer différents atomes par des isotopes plus lourds. Lorsque nous faisons cela, nous pouvons voir par spectrométrie de masse à temps de vol comment nos produits ont changé, ce qui est le cas. nous donne plus de confiance dans nos connaissances sur la façon d'identifier ce que sont ces produits.
Étant donné que les astrochimistes ont observé plus de molécules contenant du deutérium dans l'ISM que ce que l'on pourrait attendre du rapport atomique deutérium/hydrogène observé, l'échange isotopique dans des expériences comme celle-ci permet aux chercheurs de faire un pas de plus vers la détermination de la raison.
« Je pense que, dans ce cas, cela nous permet d'avoir une bonne détection de ce que nous voyons », explique Krohn. « Cela ouvre plus de portes. »
Plus d'information:
OA Krohn et al., Interactions moléculaires ioniques froides dans l'environnement extrême d'un cristal coulombien, Journal de chimie physique A (2024). est ce que je: 10.1021/acs.jpca.3c07546
Informations sur les magazines :
Journal de chimie physique A
Une équipe prépare le lancement du vaisseau spatial Psyché de la NASA à l'intérieur de l'installation d'opérations spatiales Astrotech, près du centre spatial Kennedy de l'agence, en Floride, le 8 décembre 2022. Psyché sera lancé à bord d'une fusée SpaceX Falcon Heavy depuis le complexe de lancement 39A à Kennedy. Crédit : NASA/Ben Smigelsky
NASAL'expérience de communications optiques dans l'espace profond a également interagi pour la première fois avec le système de communication du vaisseau spatial Psyché, transmettant des données techniques à la Terre.
À bord du vaisseau spatial Psyché de la NASA, la démonstration technologique de communications optiques dans l'espace lointain de l'agence continue de battre des records. Bien que le vaisseau spatial à destination de l’astéroïde ne s’appuie pas sur les communications optiques pour envoyer des données, la nouvelle technologie s’est avérée à la hauteur. Après avoir interagi avec l'émetteur radiofréquence de Psyché, l'écran de communication laser a transmis une copie des données techniques à une distance de plus de 140 millions de miles (226 millions de kilomètres), soit l'équivalent d'une fois et demie la distance entre la Terre et le Soleil.
Cette réalisation donne un aperçu de la manière dont les vaisseaux spatiaux utiliseront les communications optiques à l'avenir, permettant des communications à plus haut débit d'informations scientifiques complexes ainsi que des images et des vidéos haute définition pour soutenir le prochain pas de géant de l'humanité : envoyer des humains dans l'espace. Mars.
Cette visualisation montre la position du vaisseau spatial Psyché le 8 avril lorsque l'émetteur-récepteur laser aéronautique DSOC a transmis des données à un débit de 25 mégabits par seconde sur une portée de 140 millions de miles vers une station de liaison descendante sur Terre. Source de l'image : NASA/JPL-Caltech
« Nous avons fourni environ 10 minutes de données en double du vaisseau spatial lors de son survol le 8 avril », a déclaré Meera Srinivasan, responsable des opérations du projet au Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud. « Jusqu'à présent, nous transmettions des données de test et de diagnostic via nos liaisons descendantes depuis Psyché. Cela représente une étape importante pour le projet en montrant comment les communications optiques peuvent interagir avec le système de communication radiofréquence du vaisseau spatial. »
La technologie de communication laser utilisée dans cette démonstration est conçue pour transmettre des données depuis l'espace lointain à des vitesses 10 à 100 fois plus rapides que les systèmes radiofréquences modernes utilisés aujourd'hui par les missions dans l'espace lointain.
Après son lancement le 13 octobre 2023, le vaisseau spatial reste intact et stable pendant son voyage vers la principale ceinture d'astéroïdes entre Mars et la Terre. Jupiter Pour visiter l'astéroïde lui-même.
Dépasser les attentes
La démonstration des communications optiques de la NASA a montré qu'elle peut transmettre des données de test à un débit maximum de 267 mégabits par seconde (Mbps) à partir du laser de liaison descendante proche infrarouge de l'émetteur-récepteur laser – un débit binaire similaire aux vitesses de téléchargement Internet haut débit.
Cet objectif a été atteint le 11 décembre 2023, lorsque l'expérience a envoyé une vidéo haute résolution de 15 secondes sur Terre à une distance de 19 millions de miles (31 millions de kilomètres, soit environ 80 fois la distance entre la Terre et la Lune). Vidéo, ainsi que d'autres données de test, y compris des versions numériques de l'Arizona State University Inspiré psychologiquement L'œuvre d'art a été téléchargée sur un émetteur-récepteur laser d'aviation (voir l'image ci-dessous) avant le lancement de Psyché l'année dernière.
L'émetteur-récepteur laser Deep Space Optical Communications (DSOC) est exposé au Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud en avril 2021, avant d'être installé à l'intérieur de son boîtier carré qui a ensuite été intégré au vaisseau spatial Psyche de la NASA. L'émetteur-récepteur se compose d'un émetteur laser proche infrarouge pour envoyer des données à grande vitesse vers la Terre, et d'une caméra sensible de comptage de photons pour recevoir des données à faible vitesse envoyées depuis la Terre. L'émetteur-récepteur est monté sur un ensemble d'entretoises et d'actionneurs (illustrés sur cette image) qui stabilisent l'optique des vibrations du vaisseau spatial. Source de l'image : NASA/JPL-Caltech
Maintenant que le vaisseau spatial est plus de sept fois plus éloigné, la vitesse à laquelle il peut envoyer et recevoir des données a diminué, comme prévu. Lors du test du 8 avril, le vaisseau spatial a transmis des données de test à un débit maximum de 25 Mbps, dépassant de loin l'objectif du projet consistant à prouver qu'au moins 1 Mbps peut être atteint à cette distance.
L'équipe du projet a également demandé à l'émetteur-récepteur de transmettre optiquement les données générées par Psyché. Pendant que Psyché transmettait des données via son canal radiofréquence au Deep Space Network (DSN) de la NASA, le système de communications optiques transmettait simultanément une partie des mêmes données au télescope Hale de l'observatoire Palomar de Caltech dans le comté de San Diego, en Californie. démonstration de la technologie des stations terriennes de liaison descendante.
« Après avoir reçu les données de DSN et Palomar, nous avons vérifié visuellement les données associées dans Laboratoire de propulsion à réactiona déclaré Ken Andrews, responsable des opérations de vol du projet au JPL. « Il s’agissait d’une petite quantité de données transférées sur une courte période, mais le fait que nous le fassions maintenant a dépassé toutes nos attentes. »
Amusez-vous avec les lasers
Après le lancement de Psyché, la démo de communications optiques a été initialement utilisée pour relier des données préchargées, notamment des données Vidéo du chat Taters. Depuis, le projet a prouvé que l'émetteur-récepteur peut recevoir des données de… Laser de liaison montante haute puissance Dans les installations du JPL à Table Mountain, près de Wrightwood, en Californie. Les données peuvent également être envoyées à un émetteur-récepteur, puis reliées à la Terre la même nuit, comme le projet l'a démontré dans une récente « expérience de transformation ».
Cette expérience a transmis des données de test – ainsi que des photos numériques d’animaux de compagnie – à Psyché et vice-versa, un aller-retour allant jusqu’à 280 millions de miles (450 millions de kilomètres). Il a également communiqué de grandes quantités de données techniques pour la démonstration technologique visant à étudier les propriétés de la liaison de communication optique.
« Nous avons beaucoup appris sur la mesure dans laquelle nous pouvons pousser le système lorsque le ciel est dégagé. Tempêtes «Ils ont parfois interrompu leurs opérations à Table Mountain et à Palomar», a déclaré Ryan Rogalin, responsable du projet électronique du récepteur au JPL. (Bien que les communications par radiofréquence puissent fonctionner dans la plupart des conditions météorologiques, les communications optiques nécessitent un ciel relativement dégagé pour transmettre des données à large bande passante.)
La Deep Space Station 13 du complexe Goldstone de la NASA en Californie, qui fait partie du Deep Space Network de l'agence, est une antenne expérimentale modernisée dotée d'une pointe optique. Initialement, cette preuve de concept recevait simultanément des signaux radiofréquence et laser provenant de l’espace lointain. Source de l'image : NASA/JPL-Caltech
Le JPL a récemment mené une expérience visant à combiner Palomar, une antenne optique radiofréquence expérimentale du Goldstone Deep Space Communications Complex de DSN à Barstow, en Californie, et un détecteur à Table Mountain pour recevoir le même signal de concert. « Organiser » plusieurs stations au sol pour imiter un grand récepteur peut aider à amplifier le signal de l'espace lointain. Cette stratégie peut également être utile si une station au sol est contrainte de se déconnecter en raison des conditions météorologiques ; D'autres stations peuvent toujours recevoir le signal.
En savoir plus sur la mission
Cette démonstration, gérée par le JPL, est la dernière d'une série d'expériences de communications optiques financées par le programme Technology Demonstration Mission (TDM) de la NASA et le programme SCaN (Space Communications and Navigation) de l'agence au sein de la Direction des missions des opérations spatiales. Le développement de l'émetteur-récepteur laser pour l'aviation est soutenu par Massachusetts Institute of Technology Lincoln Laboratory, L3 Harris, CACI, First Mode, Controlled Dynamics Inc., Fibretek, Coherent et Dotfast prennent en charge les systèmes au sol. Une partie de cette technologie a été développée dans le cadre du programme de recherche sur l'innovation dans les petites entreprises de la NASA.
L'Arizona State University dirige la mission Psyché. JPL est responsable de la gestion globale de la mission, de l’ingénierie système, de l’intégration et des tests, ainsi que des opérations de la mission. Psyché est la 14e mission sélectionnée dans le cadre du programme d'exploration de la NASA relevant de la Direction des missions scientifiques, gérée par le Marshall Space Flight Center de l'agence à Huntsville, en Alabama. Le programme de services de lancement de la NASA, dont le siège est au Kennedy Space Center de l'agence en Floride, a géré le service de lancement. Maxar Technologies a fourni le châssis du vaisseau spatial à propulsion électrique solaire à haute énergie de Palo Alto, en Californie.
Pendant des décennies, la plupart des estimations de l'eau totale des rivières sur Terre étaient des améliorations par rapport aux chiffres de l'ONU de 1974. De meilleures estimations ont été difficiles à obtenir en raison du manque d'observations des rivières du monde, en particulier celles qui sont éloignées des concentrations humaines. Aujourd'hui, en utilisant une nouvelle approche, les scientifiques de la NASA ont réalisé de nouvelles estimations de la quantité d'eau qui s'écoule dans les rivières de la Terre, de la vitesse à laquelle elle s'écoule dans l'océan et de la fluctuation de ces deux chiffres au fil du temps. Ces informations sont essentielles pour comprendre le cycle de l’eau de la planète et gérer les réserves d’eau douce.
Pour obtenir une image globale de la quantité d'eau que contiennent les rivières de la Terre, des scientifiques du Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA ont combiné des mesures de débitmètre avec des modèles informatiques d'environ 3 millions de segments de rivières à travers le monde. La recherche a été dirigée par Elissa Collins, qui a mené l’analyse en tant que stagiaire au JPL et doctorante à la North Carolina State University. Publié dans Sciences naturelles de la terre.
Les scientifiques ont estimé que le volume total d'eau des rivières de la Terre, en moyenne, entre 1980 et 2009, était de 2 246 kilomètres cubes (539 miles cubes). Cela équivaut à la moitié de l’eau du lac Michigan et à environ 0,006 % de l’eau douce totale, qui représente elle-même 2,5 % du volume mondial. Même si les rivières représentent une petite partie de l'approvisionnement total en eau de la planète, elles sont vitales pour les humains depuis les premières civilisations.
La carte en haut de cette page montre le volume d'eau stocké par région hydrologique. Les chercheurs ont estimé que le bassin amazonien (bleu foncé) contient environ 38 pour cent de l'eau fluviale mondiale, le pourcentage le plus élevé évalué dans toutes les régions hydrologiques. Le même bassin rejette également le plus d’eau dans l’océan (deuxième carte) : 6 789 kilomètres cubes (1 629 miles cubes) par an. Cela représente 18 % des rejets mondiaux dans les océans, qui ont atteint en moyenne 37 411 kilomètres cubes (8 975 milles cubes) par an de 1980 à 2009.
Bien qu'il ne soit pas possible qu'une rivière ait un débit négatif (l'approche de l'étude ne permet pas un écoulement en amont), à des fins comptables, il est possible que moins d'eau sorte de certaines parties de la rivière qu'elle n'en entre. C’est ce que les chercheurs ont découvert pour certaines parties des bassins des fleuves Colorado, Amazone et Orange, ainsi que pour le bassin Murray-Darling, dans le sud-est de l’Australie. Ces flux négatifs indiquent pour la plupart une utilisation humaine intense de l’eau.
« Ce sont les endroits où nous voyons les empreintes digitales de la gestion de l’eau », a déclaré Collins.
Les chercheurs ont découvert que le trou bleu de Tam Ga, au Mexique, est le trou sous-marin connu le plus profond au monde, et ils n'ont pas encore atteint le fond.
De nouvelles mesures indiquent que le Tam Ja Blue Hole (TJBH), situé dans la baie de Chetumal, au large de la côte sud-est de la péninsule du Yucatán, s'étend à au moins 1 380 pieds (420 mètres) sous le niveau de la mer.
C'est 480 pieds (146 mètres) plus profond que ce que les scientifiques avaient initialement documenté lorsqu'ils l'ont découvert pour la première fois. Découvrez le trou bleu En 2021, il est 390 pieds (119 m) plus profond que le niveau de la mer Ancien détenteur du record – Le Trou Bleu de Sansha Yongle, d'une profondeur de 301 m, également connu sous le nom de Trou du Dragon, dans la mer de Chine méridionale.
« Le 6 décembre 2023, une expédition de plongée a été menée pour connaître les conditions environnementales dominantes à TJBH », ont écrit les chercheurs dans une étude publiée lundi 29 avril dans la revue. Frontières des sciences marines. Au cours de l'expédition, les chercheurs ont effectué des mesures à l'aide d'un profileur de conductivité, de température et de profondeur (CTD), un appareil contenant un ensemble de capteurs qui… Lire et transmettre les propriétés de l'eau Vers la surface en temps réel via câble. Les données ont révélé que le trou bleu de Tam Ga est « le trou bleu connu le plus profond au monde et que son fond n’a pas encore été atteint », ont écrit les chercheurs dans l’étude.
à propos de: Une immense grotte au Mexique, formée il y a 15 millions d'années, est plus grande que nous le pensions
Le chercheur a également mis en évidence différentes couches d'eau dans le trou bleu, y compris une couche inférieure à 400 mètres où les conditions de température et de salinité sont similaires à celles trouvées dans la mer des Caraïbes et dans les lagons récifaux côtiers voisins. Cela suggère que TJBH pourrait être connecté à l'océan via un réseau caché de tunnels et de grottes, selon l'étude.
Les trous bleus sont des cavernes verticales remplies d'eau, ou les égoutsOn le trouve dans les zones côtières où le substrat rocheux est constitué de matériaux solubles, tels que le calcaire, le marbre ou le gypse. Ils se forment lorsque l’eau à la surface s’infiltre à travers les roches, dissolvant les minéraux et élargissant les fissures, provoquant finalement l’effondrement des roches. Des exemples célèbres incluent le Dean Blue Hole aux Bahamas, le Dahab Blue Hole en Égypte et le Great Blue Hole au Belize.
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Localisation du Tam Ga Blue Hole dans la baie de Chetumal, Mexique, et photos d'un voyage de plongée en décembre 2023. (Crédit image : Alcérreca-Huerta et al. Frontiers in Marine Science (2024))
Les premières mesures du TJBH ont été prises à l'aide d'un échosondeur, un appareil qui envoie des ondes sonores au fond de l'eau et mesure leur vitesse de retour pour calculer la distance. Cependant, les techniques d’écho des trous bleus présentent des limites en raison des fluctuations de la densité de l’eau et de la forme imprévisible de chaque trou, qui peut ne pas être parfaitement vertical.
« Confirmer la profondeur maximale n'a pas été possible en raison des limitations des instruments lors des missions scientifiques en 2021 », ont écrit les chercheurs dans l'étude.
L'instrument CTD utilisé dans les travaux récents n'a pas non plus pu trouver le fond du trou bleu, car il ne peut fonctionner qu'à une profondeur de 1 640 pieds (500 mètres). Les scientifiques ont abaissé le dispositif d'identification à cette profondeur, mais le câble auquel il était connecté a peut-être été emporté par les courants sous-marins ou a heurté un rebord qui a arrêté l'appareil dans son élan à une profondeur de 1 380 pieds, selon l'étude.
Ensuite, les scientifiques prévoient de déchiffrer la profondeur maximale de TJBH et son potentiel à faire partie d'un système sous-marin complexe et peut-être interconnecté de grottes et de tunnels, ont écrit les chercheurs.
« Au plus profond du TJBH, il pourrait également y avoir une biodiversité à explorer », ont-ils ajouté.
