Nejvýkonnější laser na světě odhaluje tajemství ionizace vyplývající z tlaku ve hvězdách a jaderné fúze

Vědci z Lawrence Livermore National Laboratory úspěšně použili nejvýkonnější laser na světě k simulaci a studiu tlakové ionizace, což je proces nezbytný pro pochopení struktury planet a hvězd. Výzkum odhalil neočekávané vlastnosti vysoce stlačené hmoty a má důležité důsledky pro astrofyziku a výzkum jaderné fúze.

Vědci provedli laboratorní experimenty v Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), které poskytují nové poznatky o složitém procesu tlakově indukované ionizace v obřích planetách a hvězdách. Jejich výzkum byl zveřejněn 24. května Přírodaodhaluje vlastnosti materiálů a chování hmoty pod extrémním tlakem, což nabízí důležité důsledky pro astrofyziku a výzkum jaderné fúze.

„Pokud dokážete znovu vytvořit podmínky, které se vyskytují v astrálním těle, můžete skutečně říci, co se v něm děje,“ řekl spolupracovník Siegfried Glenzer, ředitel divize vysoké hustoty energie v Národní laboratoři akcelerátorů SLAC v DOE. „Je to jako vložit teploměr do hvězdy a měřit její teplotu a to, co tyto podmínky dělají s atomy v hmotě. Může nás to naučit nové způsoby zpracování hmoty pro zdroje energie z fúze.“

Mezinárodní výzkumný tým použil největší a nejúčinnější laser na světě, National Ignition Facility (NIF), k vytvoření extrémních podmínek potřebných pro tlakovou ionizaci. Pomocí 184 laserových paprsků tým zahřál vnitřek dutiny a přeměnil laserovou energii na rentgenové paprsky, které zahřívají beryliový plášť o průměru 2 milimetry umístěný ve středu. Jak se vnější povrch pláště rychle rozpínal v důsledku nárůstu teploty, vnitřek se zrychloval směrem dovnitř, dosahoval teplot asi dvou milionů kelvinů a tlaků tří miliard atmosfér, čímž se na několik nanosekund vytvořil malý kousek hmoty, jaký se nachází u trpasličích hvězd. laboratoř.

Vysoce stlačitelný vzorek berylia s až 30násobnou hustotou než okolní pevná látka byl zkoumán pomocí Thomsonova rentgenového rozptylu k odvození jeho hustoty, teploty a elektronové struktury. Výsledky odhalily, že po silném zahřátí a tlaku alespoň tři z každých čtyř elektronů v beryliu přešly do vodivých stavů. Kromě toho studie odhalila neočekávaně slabý elastický rozptyl, což naznačuje nízkou lokalizaci zbytkových elektronů.

Materiál v útrobách obřích planet a některých relativně chladných hvězd je silně stlačován váhou vrstev nad nimi. Při takto vysokých tlacích v důsledku vysokého tlaku vede blízkost atomových jader k interakcím mezi stavy elektronové vazby sousedních iontů a případně k jejich úplné ionizaci. Zatímco ionizace u hořících hvězd je primárně určena teplotou, u chladnějších objektů dominuje ionizace vlivem tlaku.

I když je tlaková ionizace jako cesta pro vysoce ionizovanou hmotu důležitá pro strukturu a vývoj nebeských těles, je teoreticky špatně pochopena. Navíc je velmi obtížné vytvořit a studovat požadované extrémní stavy hmoty v laboratoři, řekl fyzik LLNL Thilo Dubner, který projekt vedl.

„Obnovením extrémních podmínek podobných těm, které se nacházejí uvnitř obřích planet a hvězd, jsme byli schopni pozorovat změny materiálových vlastností a struktury elektronů, které současné modely nezachycují,“ řekl Dubner. „Naše práce otevírá nové obzory pro studium a modelování chování hmoty pod extrémním tlakem. Ionizace v hustém plazmatu je klíčovým faktorem, protože ovlivňuje stavovou rovnici, termodynamické vlastnosti a transport záření prostřednictvím opacity.“

Výzkum má také důležité důsledky pro experimenty s vlastní fúzí na NIF, kde absorpce a laditelnost rentgenového záření jsou klíčovými faktory pro optimalizaci vysoce výkonných fúzních experimentů. Komplexní pochopení ionizace v důsledku tlaku a teploty je nezbytné pro modelování stlačených materiálů a nakonec pro vývoj bohatého zdroje energie bez uhlíku prostřednictvím laserem řízené jaderné fúze, řekl Dubner.

„Jedinečné schopnosti Národního zapalovacího zařízení nemají obdoby. Existuje pouze jedno místo na Zemi, kde můžeme v laboratoři vytvářet, studovat a monitorovat intenzivní kompresi planetárních jader a vnitřků hvězd, a to na největším laseru na světě,“ řekl. Bruce Remington, program NIF Discovery Science a nejaktivnější. vůdce. „Na základě předchozího výzkumu na NIF tato práce rozšiřuje hranice laboratorní astrofyziky.“

Odkaz: „Pozorování začátku delokalizace K-shell v důsledku tlaku“ od T. Döppnera, M. Bethkenhagena, D. Krause, P. Neumayera, DA Chapmana, B. Bachmanna, RA Baggotta, poslance Böhmeho, L. Divola, a RW Falcone, LB Fletcher, OL Landen, MJ MacDonald, AM Saunders, M. Schörner, PA Sterne, J. Vorberger, BBL Witte, A. Yi, R. Redmer, SH Glenzer a DO Gericke, 24. května 2023, k dispozici tady. Příroda.
DOI: 10.1038/s41586-023-05996-8

Výzkumný tým LLNL vedený Dubnerem zahrnoval spoluautory Benjamin Bachmann, Laurent Devol, Otto Landin, Michael McDonald, Alison Saunders a Phil Stern.

Průkopnický výzkum byl výsledkem mezinárodní spolupráce na vývoji Thomsonova rentgenového rozptylu v NIF jako součást programu Science Discovery na LLNL. Mezi spolupracovníky patřili vědci z SLAC National Accelerator Laboratory, University of California Berkeley, University of Rostock (Německo),[{“ attribute=““>University of Warwick (U.K.), GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research (Germany), Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (Germany), University of Lyon (France), Los Alamos National Laboratory, Imperial College London (U.K.) and First Light Fusion Ltd. (U.K.).