Самый мощный в мире лазер раскрывает секреты ионизации, возникающей в результате давления в звездах и ядерного синтеза

Ученые из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса успешно использовали самый мощный в мире лазер для моделирования и изучения ионизации под давлением — процесса, жизненно важного для понимания структуры планет и звезд. Исследование выявило неожиданные свойства сильно сжатого вещества и имеет важные последствия для астрофизики и исследований ядерного синтеза.

Ученые провели лабораторные эксперименты в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL), которые позволили по-новому взглянуть на сложный процесс ионизации, вызванной давлением, на планетах-гигантах и ​​звездах. Их исследование было опубликовано 24 мая в природараскрывает свойства материалов и поведение материи при экстремальном давлении, предлагая важные выводы для астрофизики и исследований ядерного синтеза.

«Если вы сможете воссоздать условия, происходящие в астральном теле, вы сможете на самом деле сказать, что происходит внутри него», — сказал сотрудник Зигфрид Гленцер, директор отдела высокой плотности энергии в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США. «Это все равно, что поместить термометр в звезду и измерить ее температуру и то, что эти условия делают с атомами внутри материи. Это может научить нас новым способам обработки материи для получения термоядерных источников энергии».

Международная исследовательская группа использовала самый большой и самый мощный в мире лазер National Ignition Facility (NIF) для создания экстремальных условий, необходимых для ионизации под давлением. Используя 184 лазерных луча, команда нагрела внутреннюю часть полости, преобразуя энергию лазера в рентгеновские лучи, которые нагревают бериллиевую оболочку диаметром 2 миллиметра, расположенную в центре. Поскольку внешняя поверхность оболочки быстро расширялась из-за повышения температуры, внутренняя часть ускорялась внутрь, достигая температуры около двух миллионов кельвинов и давления в три миллиарда атмосфер, создавая крошечный кусочек материи, как в карликовых звездах, на несколько наносекунд в лаборатория.

Образец сильно сжимаемого бериллия, плотность которого в 30 раз превышает плотность окружающего твердого тела, был исследован с использованием рентгеновского рассеяния Томсона, чтобы определить его плотность, температуру и электронную структуру. Результаты показали, что после сильного нагрева и давления по крайней мере три из каждых четырех электронов в бериллии перешли в проводящие состояния. Кроме того, исследование выявило неожиданно слабое упругое рассеяние, указывающее на низкую остаточную локализацию электронов.

Материал недр планет-гигантов и некоторых относительно холодных звезд сильно сжимается под весом верхних слоев. При таких высоких давлениях, благодаря высокому давлению, близость ядер атомов приводит к взаимодействиям между электронными состояниями связи соседних ионов и, в конечном счете, к их полной ионизации. Если ионизация у горящих звезд в основном определяется температурой, то у более холодных объектов преобладает ионизация за счет давления.

Хотя ионизация под давлением важна для структуры и эволюции небесных тел, она плохо изучена теоретически. Более того, очень сложно создать и изучить требуемые экстремальные состояния материи в лаборатории, сказал физик LLNL Тило Дубнер, руководивший проектом.

«Воспроизводя экстремальные условия, подобные тем, которые наблюдаются внутри планет-гигантов и звезд, мы смогли наблюдать изменения в свойствах материалов и электронной структуре, которые не учитываются современными моделями», — сказал Дубнер. «Наша работа открывает новые горизонты для изучения и моделирования поведения вещества при экстремальном давлении. Ионизация в плотной плазме является ключевым фактором, поскольку она влияет на уравнение состояния, термодинамические свойства и перенос излучения через непрозрачность».

Исследование также имеет важное значение для экспериментов по термоядерному синтезу с самоограничением в NIF, где поглощение рентгеновского излучения и возможность настройки являются ключевыми факторами для оптимизации высокопроизводительных термоядерных экспериментов. По словам Дубнера, всестороннее понимание ионизации из-за давления и температуры необходимо для моделирования сжатых материалов и, в конечном итоге, для разработки обильного, безуглеродного источника энергии с помощью лазерного ядерного синтеза.

«Уникальные возможности National Ignition Facility не имеют себе равных. Есть только одно место на Земле, где мы можем создавать, изучать и контролировать интенсивное сжатие планетарных ядер и звездных недр в лаборатории, и это на самом большом в мире лазере», — сказал он. Брюс Ремингтон, программа Discovery Science NIF И самый активный. лидер. «Основываясь на предыдущих исследованиях в NIF, эта работа расширяет границы лабораторной астрофизики».

Ссылка: «Наблюдение за началом делокализации К-оболочки из-за давления» Т. Деппнера, М. Беткенхагена, Д. Крауса, П. Ноймайера, Д.А. Чепмена, Б. Бахмана, Р.А. и Р.В. Фальконе, Л.Б. Флетчер, О.Л. Ланден, М.Дж. Макдональд, А.М. Сондерс, М. Шёрнер, П.А. Стерн, Дж. Форбергер, Б.Б.Л. здесь. природа.
DOI: 10.1038/s41586-023-05996-8

В исследовательскую группу LLNL, возглавляемую Дабнером, входили соавторы Бенджамин Бахманн, Лоран Девол, Отто Ландин, Майкл Макдональд, Элисон Сондерс и Фил Стерн.

Новаторское исследование стало результатом международного сотрудничества по разработке рентгеновского рассеяния Томсона в NIF в рамках программы научных открытий в LLNL. Среди сотрудников были ученые из Национальной ускорительной лаборатории SLAC, Калифорнийского университета в Беркли, Университета Ростока (Германия),[{» 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.).