Pogoji v našem ogromnem vesolju so lahko zelo različni. Siloviti padci nebesnih teles puščajo brazgotine na površini planetov. Jedrske reakcije v srcih zvezd ustvarjajo ogromne količine energije. Velike eksplozije bodo katapultirale zadeve daleč v vesolje. Toda kako natančno potekajo procesi, kot so ti? Kaj nam povedo o vesolju? Ali lahko njihovo moč uporabimo v korist človeštva?
Da bi to ugotovili, so znanstveniki v Nacionalnem laboratoriju za pospeševanje SLAC izvedli prefinjene poskuse in računalniške simulacije, ki ponovno ustvarijo težke vesoljske razmere v mikrorazmerju laboratorija.
"Področje laboratorijske astrofizike raste hitro in jo poganjajo številni tehnološki preboji," pravi Siegfried Glenzer, vodja oddelka za znanost z visoko energijsko gostoto v SLAC. „Zdaj imamo močne laserje za ustvarjanje ekstremnih stanj snovi, napredne rentgenske vire za analizo teh stanj na atomski ravni in visokozmogljive superračunalnike za zapletene simulacije, ki vodijo in pomagajo razložiti naše poskuse. SLAC z velikimi priložnostmi na teh področjih postaja še posebej plodno tla za tovrstne raziskave."
Tri nedavne študije, ki poudarjajo ta pristop, vključujejo udar meteorjev, orjaška planeta in kozmične pospeševalce delcev, ki so milijoni krat močnejši od velikega hadronskega trkalnika, največjega pospeševalca delcev na Zemlji.
Kozmični "drobtinice" označujejo meteorje
Znano je, da lahko visok tlak mehko obliko ogljika - grafita, ki se uporablja kot svinec, spremeni v izjemno težko obliko ogljika, diamanta. Ali se to lahko zgodi, če meteor zadene grafit na tla? Znanstveniki verjamejo, da lahko in da bi bili ti padci v resnici lahko dovolj močni, da bi ustvarili tisto, kar imenujemo lonsdaleit, posebno obliko diamanta, ki je še močnejša od navadnega diamanta.
"Obstoj lonsdaleita je bil sporen, zdaj pa smo za to našli prepričljive dokaze," pravi Glenzer, glavni preiskovalec prispevka, ki je bil objavljen marca v reviji Nature Communications.
Promocijski video:
Znanstveniki so segreli površino grafita z močnim optičnim laserskim impulzom, ki je v vzorec poslal udarni val in ga hitro stisnil. Znanstveniki so s sijočimi svetlimi, zelo hitrimi žarki LCLS skozi vir opazili, kako šok spreminja atomsko strukturo grafita.
"V nekaterih vzorcih grafita smo videli nekaj londdaleitnih oblik v nekaj milijardnih sekundah in s pritiskom 200 gigapaskalov (2 milijona krat več kot atmosferski tlak na ravni morja)," pravi glavni avtor Dominik Krautz iz nemškega centra Helmholtz s sedežem v Kaliforniji. Univerza v Berkeleyu v času raziskav. "Ti rezultati močno podpirajo idejo, da lahko siloviti vplivi sintetizirajo to obliko diamanta, kar pa nam lahko pomaga prepoznati meteorna mesta."
Ogromni planeti vodik pretvorijo v kovino
Druga študija, ki je bila nedavno objavljena v reviji Nature Communications, obravnava še eno pomembno preobrazbo, ki bi se lahko zgodila znotraj velikanskih plinskih planetov, kot je Jupiter, v notranjosti pa je večinoma tekoči vodik: pri visoki temperaturi in tlaku se ta material premakne od "običajnega" oz. električno izolacijsko stanje v kovinsko, prevodno.
"Razumevanje tega procesa prinaša nove podrobnosti o planetarni tvorbi in evoluciji sončnega sistema," pravi Glenzer, ki je bil tudi eden glavnih raziskovalcev dela. "Čeprav je bil tak prehod predviden že v tridesetih letih, nikoli nismo odprli neposrednega okna za atomske procese."
To pomeni, da je bil odprt, dokler Glenzer in njegovi kolegi znanstveniki niso izvedli eksperimenta v Livermore National Laboratory (LLNL), kjer so z visoko zmogljivim Janusovim laserjem hitro stisnili in segreli vzorec tekočega deuterija, težke oblike vodika, in ustvarili rentgenski razpok., ki je razkrila dosledne strukturne spremembe v vzorcu.
Znanstveniki so videli, da se devterij nad tlakom 250.000 atmosfer in temperaturo 7000 stopinj Fahrenheita spreminja iz nevtralne izolacijske tekočine v ionizirano kovinsko.
"Računalniške simulacije kažejo, da prehod sovpada z ločitvijo dveh atomov, ki sta običajno povezani v molekulah devterija," pravi glavni avtor Paul Davis, študent na kalifornijski univerzi v Berkeleyju. "Očitno tlak in temperatura udarnega vala, ki ga povzroči laser, raztrgata molekule, njihovi elektroni postanejo nevezani in lahko prenašajo elektriko."
Poleg planetarnih znanosti bi lahko te raziskave pomagale tudi raziskavam, katerih namen je uporaba devterija kot jedrskega goriva za termonuklearne reakcije.
Kako sestaviti vesoljski pospeševalnik
Tretji primer skrajnega vesolja, vesolja "na robu", so neverjetno močni pospeševalci kozmičnih delcev - blizu supermasivne črne luknje, na primer - v prostor veslijo tokove ioniziranega plina, plazme, stotine tisoč svetlobnih let. Energija, ki jo vsebujejo ti tokovi in njihova elektromagnetna polja, se lahko pretvorijo v neverjetno energijske delce, ki proizvajajo zelo kratke, a intenzivne razpoke gama žarkov, ki jih je mogoče zaznati na Zemlji.
Znanstveniki bi radi vedeli, kako delujejo ti pospeševalci energije, saj bodo pomagali razumeti vesolje. Poleg tega bi iz tega lahko črpali sveže ideje za gradnjo močnejših pospeševalnikov. Navsezadnje je pospeševanje delcev v središču številnih temeljnih fizikalnih eksperimentov in medicinskih pripomočkov.
Znanstveniki verjamejo, da bi lahko bila ena glavnih gonilnih sil za vesoljske pospeševalnike "magnetna ponovna povezava" - postopek, v katerem se črte magnetnega polja v plazmi razbijejo in ponovno povežejo na drugačen način, pri čemer se sprosti magnetna energija.
"Magnetna ponovna povezava je bila že prej opažena v laboratoriju, na primer pri poskusih trka dveh plazm, ki sta bili ustvarjeni z laserji z visoko močjo," pravi Frederico Fiutsa, znanstvenik v oddelku za visoko energijsko gostoto in glavni raziskovalec teoretičnega prispevka, objavljenega marca v reviji Physical Review Letters. … "Kljub temu noben od teh laserskih poskusov ni opazil netermalnega pospeševanja delcev - pospeška, ki ni povezan s segrevanjem plazme. Naše delo kaže, da bi ga morali z določenim dizajnom videti tudi naši poskusi."
Njegova ekipa je izvedla vrsto računalniških simulacij, ki so napovedovale, kako naj se v takšnih poskusih obnašajo delci plazme. Najresnejši izračuni, ki temeljijo na 100 milijard delcev, so potrebovali več kot milijon ur CPU in več kot terabajt pomnilnika na superračunalniku Mira v Nacionalnem laboratoriju Argonne.
"Ugotovili smo ključne parametre za potrebne detektorje, vključno z energijskim razponom, v katerem bodo delovali, potrebno energijsko ločljivost in lokacijo v eksperimentu," je povedal glavni avtor Samuel Totorica, študent na Univerzi Stanford. "Naši rezultati predstavljajo recept za oblikovanje prihodnjih poskusov, ki bodo želeli vedeti, kako delci pridobivajo energijo iz magnetne ponovne povezave."
