Условията в нашата огромна вселена могат да бъдат много различни. Силните падания на небесните тела оставят белези по повърхността на планетите. Ядрените реакции в сърцата на звезди генерират огромни количества енергия. Гигантските експлозии ще катапултират материя далеч в космоса. Но как точно протичат процеси като тези? Какво ни казват за Вселената? Може ли тяхната сила да се използва в полза на човечеството?
За да разберат, учени от Националната ускорителна лаборатория SLAC са провели сложни експерименти и компютърни симулации, които пресъздават суровите космически условия в микромащаба на лабораторията.
"Полето на лабораторната астрофизика се разраства с бързи темпове и се подхранва от редица технологични пробиви", казва Зигфрид Глензер, ръководител на научното отдел за висока енергийна плътност в SLAC. „Сега имаме мощни лазери за създаване на екстремни състояния на материята, усъвършенствани рентгенови източници за анализ на тези състояния на атомно ниво и високопроизводителни суперкомпютри за сложни симулации, които ръководят и помагат да обясним нашите експерименти. С огромни възможности в тези области, SLAC се превръща в особено плодородна почва за този вид изследвания."
Три скорошни проучвания, подчертаващи този подход, включват метеорни удари, гигантски ядра на планетата и космически ускорители на частици, милиони пъти по-мощни от Големия адронен колайдер, най-големият ускорител на частици на Земята.
Космическите "дрънкулки" обозначават метеори
Известно е, че високото налягане може да трансформира меката форма на въглерод - графит, който се използва като олово - в изключително тежка форма на въглерод, диамант. Може ли това да се случи, ако метеор удари графит върху земята? Учените смятат, че могат и че тези падения всъщност биха могли да бъдат достатъчно мощни, за да произведат това, което се нарича lonsdaleite, специална форма на диамант, която е дори по-силна от обикновения диамант.
„Съществуването на лондалейт е оспорвано, но сега намерихме убедителни доказателства за това“, казва Глензер, главен изследовател на документа, публикуван през март в Nature Communications.
Промоционално видео:
Учените нагряват повърхността на графита с мощен оптичен лазерен импулс, който изпраща ударна вълна в пробата и бързо я компресира. Чрез блестящи ярки, ултрабързи LCLS рентгенови лъчи през източника, учените успяха да видят как шокът променя атомната структура на графита.
„Видяхме форма на лондалеит в някои графитни проби за няколко милиарди секунди и при налягане от 200 гигапаскали (2 милиона пъти повече от атмосферното налягане на морското равнище)“, казва водещият автор Доминик Кройц от германския център „Хелмхолц“със седалище в Калифорния. Университет в Беркли по времето на изследванията. „Тези резултати силно подкрепят идеята, че насилствените въздействия могат да синтезират тази форма на диамант, а това от своя страна може да ни помогне да идентифицираме метеорни въздействия.“
Гигантските планети превръщат водорода в метал
Второто проучване, публикувано наскоро в Nature Communications, разглежда друга важна трансформация, която би могла да се осъществи вътре в гигантски газови планети като Юпитер, вътрешността на които е предимно течен водород: при висока температура и налягане този материал се измества от "нормалното", т.е. електрически изолиращо състояние в метално, проводимо.
„Разбирането на този процес предоставя нови подробности за планетарното формиране и еволюцията на Слънчевата система“, казва Гленцер, който също беше един от основните изследователи на работата. "Въпреки че такъв преход беше предвиден още през 30-те години, ние никога не отваряхме директен прозорец към атомните процеси."
Тоест, те не се отвориха, докато Гленцер и неговите колеги учени не проведоха експеримент в Националната лаборатория на Ливърмор (LLNL), където използваха високомощен лазер Janus за бързо компресиране и загряване на проба от течен деутерий, тежка форма на водород и създаване на светкавица от рентгенови лъчи., които разкриха последователни структурни промени в извадката.
Учените са видели, че над налягане от 250 000 атмосфери и температура от 7 000 градуса по Фаренхайт, деутерият се променя от неутрална изолираща течност в йонизирана метална.
„Компютърните симулации показват, че преходът съвпада с разделянето на два атома, обикновено свързани заедно в молекули на деутерий“, казва водещият автор Пол Дейвис, аспирант в Калифорнийския университет в Бъркли по времето на писането. "Очевидно налягането и температурата на ударната вълна, предизвикана от лазера, разкъсват молекулите, електроните им стават несвързани и могат да провеждат електричество."
В допълнение към планетарната наука, това изследване би могло да подпомогне и изследванията, насочени към използване на деутерий като ядрено гориво за термоядрени реакции.
Как да изградим космически ускорител
Третият пример за екстремна вселена, вселена „на ръба“, са невероятно мощни ускорители на космически частици - близо до свръхмасивни черни дупки, например - изхвърляне на потоци от йонизиран газ, плазма, стотици хиляди светлинни години в космоса. Енергията, съдържаща се в тези течения и техните електромагнитни полета, могат да бъдат превърнати в невероятно енергийни частици, които произвеждат много кратки, но интензивни изблици на гама лъчи, които могат да бъдат открити на Земята.
Учените биха искали да знаят как работят тези енергийни ускорители, тъй като това ще помогне за разбирането на Вселената. В допълнение, от това могат да се черпят свежи идеи за изграждане на по-мощни ускорители. В крайна сметка ускорението на частиците е в основата на много основни физически експерименти и медицински изделия.
Учените смятат, че една от основните движещи сили зад космическите ускорители би могла да бъде "магнитно повторно свързване" - процес, при който линиите на магнитното поле в плазма се разпадат и отново се свързват по различен начин, освобождавайки магнитната енергия.
„Магнитното повторно свързване е било наблюдавано преди в лабораторията, например, при експерименти със сблъсъка на две плазми, които са създадени с помощта на лазери с висока мощност“, казва Фредерико Фиуца, учен от Отдела за наука с висока енергийна плътност и главен изследовател на теоретичната статия, публикувана през март в Physical Review Letters. … „Въпреки това, нито един от тези експерименти с лазер не е наблюдавал нетермално ускорение на частиците - ускорение, което не е свързано с плазменото нагряване. Нашата работа показва, че с определен дизайн нашите експерименти трябва да го видят."
Екипът му провежда серия от компютърни симулации, които предсказват как трябва да се държат плазмени частици при подобни експерименти. Най-сериозните изчисления, базирани на 100 милиарда частици, изискват над милион CPU часа и над терабайт памет на суперкомпютъра Mira в Националната лаборатория Аргон.
„Ние идентифицирахме ключови параметри за необходимите детектори, включително енергийния обхват, в който те ще работят, необходимата енергийна разделителна способност и местоположението в експеримента“, казва водещият автор Самуел Тоторика, аспирант в университета в Станфорд. "Нашите резултати представляват рецепта за проектиране на бъдещи експерименти, които ще искат да знаят как частиците получават енергия от магнитното повторно свързване."
