A hatalmas univerzumunk körülményei nagyon különbözőek lehetnek. Az égi testek heves esései hegek maradnak a bolygók felületén. A csillagok szívében levő nukleáris reakciók óriási mennyiségű energiát generálnak. Az óriási robbanások messze az űrbe katapultálnak. De hogyan történnek pontosan az ilyen folyamatok? Mit mondnak nekünk az univerzumról? Használható-e hatalmuk az emberiség javára?
Ennek megismerése érdekében a SLAC Nemzeti Gyorsító laboratórium tudósai kifinomult kísérleteket és számítógépes szimulációkat készítettek, amelyek visszaállítják a kemény térviszonyokat a laboratórium mikroméretében.
„A laboratóriumi asztrofizika területe gyors ütemben növekszik, és számos technológiai áttörést támaszt elő” - mondta Siegfried Glenzer, az SLAC nagy energia sűrűségű tudományos osztályának vezetője. „Jelenleg nagy teljesítményű lézerek vannak az anyag szélsőséges állapotainak létrehozásához, fejlett röntgenforrások ezeknek az atomoknak az elemzésére, és nagy teljesítményű szuperszámítógépek komplex szimulációkhoz, amelyek útmutatást nyújtanak és segítik a kísérletek magyarázatát. Ezeken a területeken hatalmas lehetőségekkel a SLAC különösen termékeny talajvá válik az ilyen típusú kutatások számára.”
A közelmúltban három, ezt a megközelítést kiemelő tanulmány meteor-sztrájkokat, óriási bolygómagokat és kozmikus részecskegyorsítókat milliószor hajt végre, mint a Föld legnagyobb részecskegyorsítója, a Nagy Hadron-ütköző.
A kozmikus "csecsebecsék" meteorokat jelölnek
Ismeretes, hogy a magas nyomás átalakíthatja a szén lágy formáját - grafitot, amelyet ólomként használnak - rendkívül nehéz szén, gyémánt formává. Megtörténhet, ha egy meteor grafitot üt a földre? A tudósok úgy vélik, hogy képesek, és hogy ezek a zuhanások valójában elég erősek lehetnek ahhoz, hogy elkészítsék azt, amit lonsdaleitenek hívnak, egy speciális gyémántforma, amely még erősebb, mint a normál gyémánt.
"A lonsdaleite létezését vitatják, de erre már kényszerítő bizonyítékot találtunk" - mondja Glenzer, a márciusban a Nature Communications folyóiratban közzétett cikk vezető kutatója.
Promóciós videó:
A tudósok egy erős optikai lézerimpulzussal melegítették a grafit felületét, amely sokkhullámot adott a mintába, és gyorsan összenyomta. A fényes, ultragyors LCLS röntgen sugárzásával a forráson keresztül a tudósok láthatták, hogy a sokk hogyan változtatja meg a grafit atomszerkezetét.
„Néhány grafitmintában néhány milliárd másodperc alatt és 200 gigapaszkal mellett (a tengerszint feletti légköri nyomás kétszeresére) láttunk lonsdaleite-formát” - mondja Dominik Krautz a német Helmholtz-központból, Kaliforniában. A Berkeley Egyetemen a kutatás idején. "Ezek az eredmények erősen alátámasztják azt az elképzelést, miszerint az erőszakos ütések szintetizálhatják ezt a gyémánt formát, és ez viszont segíthet nekünk a meteor hatások helyének azonosításában."
Az óriási bolygók fémmé alakítják a hidrogént
Egy második tanulmány, amelyet a közelmúltban publikáltak a Nature Communications-ben, egy másik fontos átalakulásra vonatkozik, amely történhetett olyan óriás gázbolygókban, mint a Jupiter, amelyek belseje többnyire folyékony hidrogén: magas hőmérsékleten és nyomáson ez az anyag eltolódik a "normál" -tól, elektromosan szigetelő állapot fémes, vezetőképes.
„Ennek a folyamatnak a megértése új részleteket nyújt a bolygóképződéshez és a Naprendszer fejlődéséhez” - mondja Glenzer, aki szintén a munka egyik fő kutatója volt. "Noha egy ilyen átmenetet már az 1930-as években előre jeleztünk, soha nem nyitottuk meg az ablakot az atomfolyamatok felé."
Vagyis nem nyitottak addig, amíg Glenzer és tudóstársai kísérletet nem tartottak a Livermore Nemzeti Laboratóriumban (LLNL), ahol nagy teljesítményű Janus lézert használtak a folyékony deutérium, a hidrogén nehéz formájának mintájának gyors összenyomásához és melegítéséhez, és röntgenfelvétel készítéséhez., amely konzisztens szerkezeti változásokat tárt fel a mintában.
A tudósok azt látták, hogy a deutérium 250 000 atmoszféra nyomás és 7000 Fahrenheit fok hőmérsékleten semleges szigetelő folyadékról ionizált fémrétegre változik.
"A számítógépes szimulációk azt mutatják, hogy az átmenet egybeesik két atom elválasztásával, amelyek általában deutériummolekulákban kapcsolódnak egymáshoz" - mondja Paul Davis vezető szerző, a Berkeley-i Kaliforniai Egyetem végzős hallgatója az írás idején. "Nyilvánvaló, hogy a lézer által indukált sokkhullám nyomása és hőmérséklete elválasztja a molekulákat, elektronok kötetlendnek és áramot vezethetnek."
A bolygótudományon kívül ez a kutatás elősegítheti azokat a kutatásokat is, amelyek célja a deutérium nukleáris üzemanyagként történő felhasználása termonukleáris reakciókhoz.
Hogyan építsünk egy űrgyorsítót?
A szélsőséges univerzum, a „peremén” világegyetem harmadik példája hihetetlenül nagy űrszemcsék-gyorsítók - például a szupermasszív fekete lyukak közelében -, ionizált gáz, plazma, százezrek fényévek százainak áramlására az űrbe. Az ezekben az áramokban levő energia és azok elektromágneses terei hihetetlenül energikus részecskékké alakíthatók, amelyek nagyon rövid, de intenzív gammasugarakat idéznek elő, amelyek a Földön észlelhetők.
A tudósok szeretnék tudni, hogyan működnek ezek az energiagyorsítók, mivel ez segít megérteni az univerzumot. Ezen túlmenően friss ötletek vonhatók fel a nagyobb teljesítményű gyorsítók felépítésére. Végül is a részecskegyorsítás számos alapvető fizikai kísérlet és orvostechnika központi eleme.
A tudósok úgy vélik, hogy az űrgyorsítók egyik fő hajtóereje a "mágneses újrakapcsolódás" lehet - egy olyan folyamat, amelyben a plazma mágneses mező vonalai felbomlanak és más módon kapcsolódnak össze, felszabadítva a mágneses energiát.
„A mágneses újracsatlakozást már korábban megfigyelték a laboratóriumban, például két nagy plazma ütközésével végzett kísérletek során, amelyeket nagy teljesítményű lézerekkel hoztunk létre” - mondta Frederico Fiutsa, a Nagy Energia Sűrűség Tudományos Osztály tudósa és a márciusban a Physical Review Lettersben közzétett elméleti cikk fő kutatója. … „Ennek ellenére ezen lézerkísérletek egyikében sem figyelték meg a részecskék nem termál gyorsulását - a gyorsulást, amely nem társult a plazma melegítésével. Munkánk azt mutatja, hogy egy bizonyos tervezésnél a kísérleteinknek látniuk kell azt."
Csapata számítógépes szimulációk sorozatát hajtotta végre, amelyek megjósolták, hogy a plazma részecskéknek hogyan kell viselkedniük az ilyen kísérletekben. A legkomolyabb számítások, amelyek 100 milliárd részecsken alapulnak, több mint egymillió processzorórát igényeltek, és több, mint terabyte memóriát igényeltek a Mira szuperszámítógépen az Argonne Nemzeti Laboratóriumban.
"Meghatároztuk a szükséges érzékelők kulcsfontosságú paramétereit, beleértve az energiatartományt, amelyben működni fognak, a szükséges energiafelbontást és helyet a kísérletben" - mondta Samuel Totorica vezető szerző, a Stanfordi Egyetem végzős hallgatója. "Eredményeink egy olyan receptet jelentenek a jövőbeli kísérletek megtervezéséhez, amelyek meg akarják tudni, hogy a részecskék hogyan kapnak energiát a mágneses újracsatlakozásból."