Najpotężniejszy laser na świecie odkrywa tajemnice jonizacji wynikającej z ciśnienia w gwiazdach i syntezy jądrowej

Naukowcy z Lawrence Livermore National Laboratory z powodzeniem wykorzystali najpotężniejszy laser na świecie do symulacji i badania jonizacji ciśnieniowej, procesu niezbędnego do zrozumienia struktury planet i gwiazd. Badania ujawniły nieoczekiwane właściwości silnie skompresowanej materii i mają ważne implikacje dla astrofizyki i badań nad syntezą jądrową.

Naukowcy przeprowadzili eksperymenty laboratoryjne w Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), które dostarczają nowych informacji na temat złożonego procesu jonizacji wywołanej ciśnieniem w gigantycznych planetach i gwiazdach. Ich badania zostały opublikowane 24 maja br Naturaujawnia właściwości materiałów i zachowanie materii pod ekstremalnym ciśnieniem, oferując ważne implikacje dla astrofizyki i badań nad syntezą jądrową.

„Jeśli potrafisz odtworzyć warunki panujące w ciele astralnym, możesz faktycznie powiedzieć, co się w nim dzieje” – powiedział współpracownik Siegfried Glenzer, dyrektor Wydziału Gęstości Energii w Narodowym Laboratorium Akceleratora SLAC DOE. „To jak włożenie termometru do gwiazdy i zmierzenie jej temperatury oraz tego, co te warunki robią z atomami w materii. Może nas to nauczyć nowych sposobów przetwarzania materii na źródła energii termojądrowej.”

Międzynarodowy zespół badawczy wykorzystał największy i najbardziej energetyczny laser na świecie, National Ignition Facility (NIF), aby stworzyć ekstremalne warunki potrzebne do jonizacji ciśnieniowej. Za pomocą 184 wiązek laserowych zespół ogrzał wnętrze wnęki, przekształcając energię lasera w promienie rentgenowskie, które ogrzewają berylową powłokę o średnicy 2 milimetrów umieszczoną pośrodku. Gdy zewnętrzna powierzchnia powłoki gwałtownie się rozszerzyła z powodu wzrostu temperatury, wnętrze przyspieszyło do wewnątrz, osiągając temperaturę około dwóch milionów kelwinów i ciśnienie trzech miliardów atmosfer, tworząc maleńki kawałek materii, jaki znajduje się w gwiazdach karłowatych przez kilka nanosekund w laboratorium.

Wysoce ściśliwa próbka berylu, o gęstości do 30 razy większej niż otaczająca ją substancja stała, została zbadana za pomocą rozpraszania promieniowania rentgenowskiego Thomsona, aby wywnioskować jej gęstość, temperaturę i strukturę elektronową. Wyniki ujawniły, że po silnym ogrzewaniu i ciśnieniu co najmniej trzy na cztery elektrony w berylu przeszły w stany przewodzące. Ponadto badanie wykazało nieoczekiwanie słabe rozpraszanie sprężyste, wskazujące na niską lokalizację elektronów resztkowych.

Materia we wnętrzach planet olbrzymów i niektórych stosunkowo chłodnych gwiazd jest mocno ściskana przez ciężar warstw znajdujących się powyżej. Przy tak wysokich ciśnieniach bliskość jąder atomowych, na skutek wysokiego ciśnienia, prowadzi do interakcji pomiędzy stanami wiązania elektronowego sąsiednich jonów i ostatecznie do ich całkowitej jonizacji. Podczas gdy jonizacja w płonących gwiazdach zależy przede wszystkim od temperatury, jonizacja spowodowana ciśnieniem dominuje w chłodniejszych obiektach.

Chociaż jest ważna dla struktury i ewolucji ciał niebieskich, jonizacja ciśnieniowa jako droga dla silnie zjonizowanej materii jest słabo poznana teoretycznie. Co więcej, bardzo trudno jest stworzyć i zbadać wymagane ekstremalne stany materii w laboratorium, powiedział fizyk LLNL, Thilo Dubner, który kierował projektem.

„Odtwarzając ekstremalne warunki, podobne do tych panujących wewnątrz gigantycznych planet i gwiazd, byliśmy w stanie zaobserwować zmiany we właściwościach materiałów i strukturze elektronów, których nie wychwytują obecne modele” – powiedział Dubner. „Nasza praca otwiera nowe horyzonty dla badania i modelowania zachowania materii pod ekstremalnym ciśnieniem. Jonizacja w gęstej plazmie jest kluczowym czynnikiem, ponieważ wpływa na równanie stanu, właściwości termodynamiczne i transport promieniowania przez nieprzezroczystość.”

Badania mają również ważne implikacje dla eksperymentów syntezy jądrowej w warunkach samouwięzienia w NIF, gdzie absorpcja i przestrajalność promieniowania rentgenowskiego są kluczowymi czynnikami optymalizacji wysokowydajnych eksperymentów syntezy jądrowej. Kompleksowe zrozumienie jonizacji spowodowanej ciśnieniem i temperaturą jest niezbędne do modelowania skompresowanych materiałów, a ostatecznie do opracowania obfitego, wolnego od węgla źródła energii poprzez syntezę jądrową napędzaną laserem, powiedział Dubner.

„Unikalne możliwości National Ignition Facility są niezrównane. Jest tylko jedno miejsce na Ziemi, gdzie możemy tworzyć, badać i monitorować intensywną kompresję jąder planetarnych i wnętrz gwiazd w laboratorium, a jest to największy na świecie laser” – powiedział Bruce Remington, program NIF Discovery Science i najbardziej aktywny. lider. „Opierając się na podstawach wcześniejszych badań w NIF, ta praca poszerza granice astrofizyki laboratoryjnej”.

Odniesienie: „Obserwacja początku delokalizacji powłoki K z powodu ciśnienia” T. Döppner, M. Bethkenhagen, D. Kraus, P. Neumayer, DA Chapman, B. Bachmann, RA Baggott, MP Böhme, L. Divol, i RW Falcone, LB Fletcher, OL Landen, MJ MacDonald, AM Saunders, M. Schörner, PA Sterne, J. Vorberger, BBL Witte, A. Yi, R. Redmer, SH Glenzer i DO Gericke, 24 maja 2023 r., dostępne Tutaj. Natura.
DOI: 10.1038/s41586-023-05996-8

W skład zespołu badawczego LLNL, kierowanego przez Dubnera, weszli współautorzy: Benjamin Bachmann, Laurent Devol, Otto Landin, Michael McDonald, Alison Saunders i Phil Stern.

Pionierskie badania były wynikiem międzynarodowej współpracy mającej na celu opracowanie rozpraszania promieniowania rentgenowskiego Thomsona w NIF w ramach Science Discovery Program w LLNL. Wśród współpracowników znaleźli się naukowcy z SLAC National Accelerator Laboratory, University of California Berkeley, University of Rostock (Niemcy),[{” 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.).