Fale grawitacyjne

Zagadka naturalnego reaktora jądrowego w Gabonie

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:
Informacje o odkryciu można znaleźć na stronie

Czy istnieją fale grawitacyjne?

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, ale do tej pory nie udało się ich zarejestrować w sposób bezpośredni mimo licznych już prób. Fale te rozchodzą się z prędkością światła w postaci zaburzeń przestrzeni. Na razie ich istnienie jest dobrze uzasadnione teoretycznie. 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. Chociaż energia fal powstających w powyższych procesach jest bardzo duża to fale grawitacyjne podczas spotkania z materią przenikają ją niemal bez żadnego oddziaływania. Dla fali grawitacyjnej Ziemia wraz ze wszystkim, co się na niej znajduje, jest praktycznie przezroczysta. Dlatego czułość detektorów grawitacyjnych mysi być bardzo duża. Ponieważ te urządzenia odbierają bardzo dużo szumów, do analizy strumieni danych badacze zamierzają użyć potężne komputery. Obserwacje

Anteny Deep Space Network (Sieć Dalekiej Przestrzeni Kosmicznej) próbowały wychwycić drobne zmiany częstości sygnału radiowego, emitowanego przez sondę komiczną Casini w wyniku oddziaływaniu na sondę fal grawitacyjnych.

tak znikomego zaburzenia można by porównać do próby wykrycia przesunięcia się Saturna w kierunku Słońca o odległość równą średnicy atomu wodoru.
Wykryć fale grawitacyjne uczeni próbowali na wiele sposobów. Jeden z nich obrazuje zdjęcie obok. Na razie nie dało to rezultatów. Obecnie trwają prace nad uruchomieniem sześciu nowych detektorów fal grawitacyjnych. Dwa z nich znajdują się w Hanford o długości ramion 4km i 2km, a jeden o długości 4km w Livingston tworząc system detekcyjny LIGO (Laser Interferometr Gravitational Wave Obserwvatory) - będzie to amerykańskie centrum badania fal grawitacyjnych. Mniejsze tworzy się w innych ośrodkach: japoński TAMA 300 znajdujący się w Tokio o długości ramion 300m, niemiecko-brytyjski GEO 600 (długość ramion 600m) i francusko-włoski VIRGO położony koło Pizy we Włoszech (długość ramion 3km). Wszystkie laboratoria będą ze sobą współpracować.


Detektor LIGO w Hanford w stanie Waszyngton w USA .

NASA wspólnie z Europejską Agencją Kosmiczną planuje budowę jeszcze bardziej ambitnego obserwatorium fal grawitacyjnych o nazwie LISA. Rozważają wystrzelenie w 20011 roku trzech wyposażonych w lasery satelitów, które utworzyłyby kosmiczny interferometr 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. Czekamy na wyniki badań.