Warunki w naszym rozległym wszechświecie mogą być bardzo różne. Gwałtowne upadki ciał niebieskich pozostawiają blizny na powierzchni planet. Reakcje jądrowe w sercach gwiazd generują ogromne ilości energii. Gigantyczne eksplozje wyrzucą materię daleko w kosmos. Ale jak dokładnie przebiegają takie procesy? Co nam mówią o wszechświecie? Czy ich moc może być użyta dla dobra ludzkości?
Aby się tego dowiedzieć, naukowcy z SLAC National Accelerator Laboratory przeprowadzili zaawansowane eksperymenty i symulacje komputerowe, które odtwarzają trudne warunki kosmiczne w mikroskali laboratorium.
„Dziedzina astrofizyki laboratoryjnej rozwija się w szybkim tempie i jest napędzana przez szereg przełomów technologicznych” - mówi Siegfried Glenzer, szef działu nauki o wysokiej gęstości energii w SLAC. „Mamy teraz potężne lasery do tworzenia ekstremalnych stanów materii, zaawansowane źródła promieniowania rentgenowskiego do analizowania tych stanów na poziomie atomowym oraz wysokowydajne superkomputery do złożonych symulacji, które prowadzą i pomagają wyjaśnić nasze eksperymenty. Z ogromnymi możliwościami w tych obszarach, SLAC staje się szczególnie podatnym gruntem dla tego rodzaju badań”.
Trzy ostatnie badania podkreślające to podejście obejmują uderzenia meteorytów, rdzenie gigantycznych planet i kosmiczne akceleratory cząstek miliony razy silniejsze niż Wielki Zderzacz Hadronów, największy akcelerator cząstek na Ziemi.
Kosmiczne „bibeloty” oznaczają meteoryty
Wiadomo, że wysokie ciśnienie może przekształcić miękką postać węgla - grafitu, który jest używany jako ołów - w niezwykle ciężką formę węgla, diament. Czy mogłoby się to zdarzyć, gdyby meteor uderzył w ziemię w grafit? Naukowcy są przekonani, że tak, i że w rzeczywistości te upadki mogą być wystarczająco silne, aby wytworzyć tak zwany lonsdaleit, specjalną formę diamentu, która jest nawet silniejsza niż zwykły diament.
„Istnienie lonsdaleitu zostało zakwestionowane, ale teraz znaleźliśmy na to przekonujące dowody” - mówi Glenzer, główny badacz artykułu opublikowanego w marcu w Nature Communications.
Film promocyjny:
Naukowcy podgrzali powierzchnię grafitu silnym optycznym impulsem laserowym, który wysłał falę uderzeniową do próbki i szybko ją skompresował. Świecąc jasnym, ultraszybkim promieniowaniem rentgenowskim LCLS przez źródło, naukowcy byli w stanie zobaczyć, jak wstrząs zmienił strukturę atomową grafitu.
„Widzieliśmy formę lonsdaleitu w niektórych próbkach grafitu w ciągu kilku miliardowych części sekundy i pod ciśnieniem 200 gigapaskali (2 miliony razy wyższe od ciśnienia atmosferycznego na poziomie morza)” - mówi główny autor Dominik Krautz z niemieckiego Centrum Helmholtz w Kalifornii. Uniwersytet w Berkeley w czasie badań. „Wyniki te mocno potwierdzają pogląd, że gwałtowne uderzenia mogą syntetyzować tę formę diamentu, a to z kolei może pomóc nam zidentyfikować miejsca uderzenia meteorytów”.
Gigantyczne planety zamieniają wodór w metal
Drugie badanie, opublikowane niedawno w Nature Communications, dotyczy innej ważnej transformacji, która mogła mieć miejsce wewnątrz gigantycznych planet gazowych, takich jak Jowisz, których wnętrze składa się głównie z ciekłego wodoru: w wysokiej temperaturze i ciśnieniu materiał zmienia się z „normalnego”, stan elektroizolacyjny na metaliczny, przewodzący.
„Zrozumienie tego procesu dostarcza nowych szczegółów na temat formowania się planet i ewolucji Układu Słonecznego” - mówi Glenzer, który był także jednym z głównych badaczy prac. „Chociaż taką przemianę przewidywano już w latach trzydziestych XX wieku, nigdy nie otworzyliśmy bezpośredniego okna na procesy atomowe”.
Oznacza to, że nie otworzyli się, dopóki Glenzer i jego koledzy naukowcy nie przeprowadzili eksperymentu w Livermore National Laboratory (LLNL), gdzie użyli lasera Janus o dużej mocy do szybkiego skompresowania i podgrzania próbki ciekłego deuteru, ciężkiej postaci wodoru, i wytworzenia błysku promieni rentgenowskich., co ujawniło spójne zmiany strukturalne w próbie.
Naukowcy zauważyli, że powyżej ciśnienia 250 000 atmosfer i temperatury 7 000 stopni Fahrenheita deuter zmienia się z neutralnej cieczy izolacyjnej w zjonizowaną metaliczną ciecz.
„Symulacje komputerowe pokazują, że przemiana zbiega się w czasie z rozdzieleniem dwóch atomów, zwykle połączonych ze sobą w cząsteczkach deuteru” - mówi naczelny autor Paul Davis, absolwent Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley w momencie pisania. „Najwyraźniej ciśnienie i temperatura wywołanej laserem fali uderzeniowej rozrywa cząsteczki, a ich elektrony stają się niezwiązane i mogą przewodzić prąd”.
Oprócz nauk planetarnych, badania te mogą również pomóc w badaniach mających na celu wykorzystanie deuteru jako paliwa jądrowego do reakcji termojądrowych.
Jak zbudować akcelerator kosmiczny
Trzeci przykład ekstremalnego wszechświata, wszechświata „na krawędzi”, to niewiarygodnie potężne kosmiczne akceleratory cząstek - na przykład w pobliżu supermasywnych czarnych dziur - wyrzucające w kosmos strumienie zjonizowanego gazu, plazmy, setki tysięcy lat świetlnych. Energię zawartą w tych strumieniach i ich pola elektromagnetyczne można przekształcić w niezwykle energetyczne cząstki, które wytwarzają bardzo krótkie, ale intensywne rozbłyski promieni gamma, które można wykryć na Ziemi.
Naukowcy chcieliby wiedzieć, jak działają te akceleratory energii, ponieważ pomogą one zrozumieć wszechświat. Ponadto można z tego wyciągnąć nowe pomysły na budowę mocniejszych akceleratorów. W końcu przyspieszenie cząstek jest sercem wielu podstawowych eksperymentów fizycznych i urządzeń medycznych.
Naukowcy uważają, że jedną z głównych sił napędowych akceleratorów kosmicznych może być „ponowne połączenie magnetyczne” - proces, w którym linie pola magnetycznego w plazmie rozpadają się i ponownie łączą w inny sposób, uwalniając energię magnetyczną.
„Ponowne połączenie magnetyczne obserwowano wcześniej w laboratorium, na przykład podczas eksperymentów ze zderzeniem dwóch plazm, które zostały utworzone przy użyciu laserów o dużej mocy” - mówi Frederico Fiuza, naukowiec z działu High Energy Density Science Division i główny badacz artykułu teoretycznego opublikowanego w marcu w Physical Review Letters. … „Niemniej jednak w żadnym z tych eksperymentów laserowych nie zaobserwowano nietermicznego przyspieszenia cząstek - przyspieszenia niezwiązanego z ogrzewaniem plazmy. Nasza praca pokazuje, że przy pewnym projekcie nasze eksperymenty powinny to zobaczyć”.
Jego zespół przeprowadził serię symulacji komputerowych, które przewidywały zachowanie cząstek plazmy w takich eksperymentach. Najpoważniejsze obliczenia, oparte na 100 miliardach cząstek, wymagały ponad miliona godzin pracy procesora i ponad terabajta pamięci superkomputera Mira w Argonne National Laboratory.
„Zidentyfikowaliśmy kluczowe parametry wymaganych detektorów, w tym zakres energii, w jakim będą działać, wymaganą rozdzielczość energii i lokalizację w eksperymencie” - powiedział naczelny autor Samuel Totorika, doktorant na Uniwersytecie Stanforda. „Nasze wyniki stanowią przepis na projektowanie przyszłych eksperymentów, które będą chciały wiedzieć, w jaki sposób cząstki pobierają energię z ponownego połączenia magnetycznego”.