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.).
Přátelský webový obhájce. Odborník na popkulturu. Bacon ninja. Tvrdý twitterový učenec.