A világ legerősebb lézere felfedi a csillagok nyomásából és a magfúzióból eredő ionizáció titkait

A Lawrence Livermore National Laboratory tudósai sikeresen használták a világ legerősebb lézerét a nyomásionizáció szimulálására és tanulmányozására, amely folyamat elengedhetetlen a bolygók és csillagok szerkezetének megértéséhez. A kutatás az erősen összenyomott anyagok váratlan tulajdonságait tárta fel, és fontos következményekkel jár az asztrofizikai és a magfúziós kutatások szempontjából.

A tudósok laboratóriumi kísérleteket végeztek a Lawrence Livermore National Laboratory-ban (LLNL), amelyek új betekintést nyújtanak az óriásbolygók és csillagok nyomás által kiváltott ionizációs folyamatába. Kutatásukat május 24-én tették közzé természetfeltárja az anyagok tulajdonságait és az anyagok viselkedését extrém nyomás alatt, és fontos következményekkel jár az asztrofizika és a magfúziós kutatás számára.

„Ha újra tudod teremteni az asztrális testben előforduló állapotokat, akkor valójában meg tudod mondani, mi történik benne” – mondta Siegfried Glenzer munkatárs, a DOE SLAC National Accelerator Laboratory High Energy Density Division igazgatója. „Olyan ez, mintha hőmérőt helyeznénk egy csillagba, és megmérnénk a hőmérsékletét, és azt, hogy ezek a körülmények mit tesznek az anyagon belüli atomokkal. Új módszereket taníthat meg az anyag fúziós energiaforrásokként való feldolgozására.”

A nemzetközi kutatócsoport a világ legnagyobb és legenergiásabb lézerét, a National Ignition Facility-t (NIF) használta a nyomásionizációhoz szükséges extrém körülmények létrehozására. A csapat 184 lézersugár segítségével felmelegítette az üreg belsejét, és a lézerenergiát röntgensugarakká alakította, amelyek egy 2 milliméter átmérőjű berilliumhéjat melegítenek fel a közepén. Ahogy a héj külső felülete a hőmérséklet emelkedése miatt gyorsan tágul, a belső felgyorsult befelé, elérve a körülbelül kétmillió kelvin hőmérsékletet és a hárommilliárd atmoszféra nyomását, ami egy apró anyagdarabot hozott létre, amely néhány nanoszekundum alatt a törpecsillagokban található. egy labor.

Az erősen összenyomható berilliummintát, amelynek sűrűsége akár 30-szor nagyobb, mint a környező szilárd anyagé, Thomson röntgenszórás segítségével vizsgálták, hogy következtessen sűrűségére, hőmérsékletére és elektronszerkezetére. Az eredmények azt mutatták, hogy erős melegítés és nyomás hatására a berilliumban minden negyedik elektronból legalább három vezetőképes állapotba került. Ezenkívül a vizsgálat váratlanul gyenge rugalmas szórást tárt fel, ami alacsony maradék elektronlokalizációt jelez.

Az óriásbolygók és néhány viszonylag hideg csillag belsejében lévő anyagot szorosan összenyomja a fenti rétegek súlya. Ilyen nagy nyomáson a nagy nyomás miatt az atommagok közelsége a szomszédos ionok elektronikus kötési állapotai közötti kölcsönhatásokhoz, végül azok teljes ionizációjához vezet. Míg az égő csillagokban az ionizációt elsősorban a hőmérséklet határozza meg, addig a hidegebb tárgyaknál a nyomás okozta ionizáció dominál.

Bár fontos az égitestek szerkezete és evolúciója szempontjából, a nyomás-ionizáció, mint az erősen ionizált anyagok útja, elméletileg kevéssé ismert. Ráadásul nagyon nehéz létrehozni és tanulmányozni a szükséges extrém halmazállapotokat a laboratóriumban – mondta Thilo Dubner, az LLNL fizikusa, a projekt vezetője.

„Az óriásbolygók és csillagok belsejében tapasztaltakhoz hasonló extrém körülmények újrateremtésével olyan változásokat figyelhettünk meg az anyagok tulajdonságaiban és az elektronszerkezetben, amelyeket a jelenlegi modellek nem rögzítenek” – mondta Dubner. „Munkánk új távlatokat nyit az anyag szélsőséges nyomás alatti viselkedésének tanulmányozására és modellezésére. A sűrű plazmában az ionizáció kulcsfontosságú tényező, mert befolyásolja az állapotegyenletet, a termodinamikai tulajdonságokat és az átlátszatlanságon keresztüli sugárzástranszportot.”

A kutatásnak fontos következményei vannak a NIF-nél végzett önelzáró fúziós kísérletekre is, ahol a röntgensugárzás abszorpciója és a hangolhatóság kulcsfontosságú tényező a nagy teljesítményű fúziós kísérletek optimalizálásához. Dubner szerint a nyomás és a hőmérséklet okozta ionizáció átfogó ismerete elengedhetetlen a sűrített anyagok modellezéséhez, és végső soron egy bőséges, szénmentes energiaforrás kifejlesztéséhez lézervezérelt magfúzió révén.

„A National Ignition Facility egyedülálló képességei páratlanok. Csak egy hely van a Földön, ahol laboratóriumban létrehozhatjuk, tanulmányozhatjuk és nyomon követhetjük a bolygómagok és a csillagbelsők intenzív összenyomódását, ez pedig a világ legnagyobb lézere” Bruce Remington, NIF Discovery Science program. És a legaktívabb. vezető. „A NIF korábbi kutatásaira építve ez a munka kiterjeszti a laboratóriumi asztrofizika határait.”

Hivatkozás: T. Döppner, M. Bethkenhagen, D. Kraus, P. Neumayer, DA Chapman, B. Bachmann, RA Baggott, Böhme képviselő, L. Divol, „K-héj delokalizáció kezdetének megfigyelése nyomás miatt” és RW Falcone, LB Fletcher, OL Landen, MJ MacDonald, AM Saunders, M. Schörner, PA Sterne, J. Vorberger, BBL Witte, A. Yi, R. Redmer, SH Glenzer és DO Gericke, 2023. május 24., elérhető itt. természet.
DOI: 10.1038/s41586-023-05996-8

A Dubner által vezetett LLNL kutatócsoportban Benjamin Bachmann, Laurent Devol, Otto Landin, Michael McDonald, Alison Saunders és Phil Stern társszerzők voltak.

Az úttörő kutatás a Thomson röntgenszórás NIF-nél történő fejlesztésére irányuló nemzetközi együttműködés eredménye az LLNL Science Discovery Program részeként. Az együttműködők között voltak tudósok az SLAC National Accelerator Laboratory-tól, a Kaliforniai Berkeley Egyetemtől, a Rostocki Egyetemtől (Németország),[{” 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.).