Dünyanın en güçlü lazeri, yıldızlardaki basınç ve nükleer füzyondan kaynaklanan iyonlaşmanın sırlarını ortaya koyuyor

Bilim adamları, Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’ndaki Ulusal Ateşleme Tesisi’nde, basınç iyonlaşması için gereken yoğun basıncı üreten laboratuvar deneyleri yaptılar. Araştırmaları, astrofizik ve nükleer füzyon araştırmaları için faydalı olan gigabayt basınçlarda atomik fiziğe ilişkin yeni bilgiler sağlıyor. Kredi: Greg Stewart/SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’nın çizimi; Jan Vorberger/Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf tarafından eklenen metin

Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’ndaki bilim adamları, gezegenlerin ve yıldızların yapısını anlamak için hayati bir süreç olan basınç iyonlaşmasını simüle etmek ve incelemek için dünyanın en güçlü lazerini başarıyla kullandılar. Araştırma, yüksek oranda sıkıştırılmış maddenin beklenmedik özelliklerini ortaya çıkardı ve astrofizik ve nükleer füzyon araştırmaları için önemli çıkarımlara sahip.

Bilim adamları, Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’nda (LLNL), dev gezegenlerde ve yıldızlarda basınca bağlı iyonlaşmanın karmaşık sürecine yeni bilgiler sağlayan laboratuvar deneyleri gerçekleştirdiler. Araştırmaları 24 Mayıs’ta yayınlandı. doğamalzemelerin özelliklerini ve maddenin aşırı basınç altındaki davranışını ortaya koyarak astrofizik ve nükleer füzyon araştırmaları için önemli çıkarımlar sunuyor.

DOE’nin SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’nda Yüksek Enerji Yoğunluğu Bölümü yöneticisi olan işbirlikçi Siegfried Glenzer, “Bir astral bedende meydana gelen koşulları yeniden yaratabilirseniz, içinde neler olup bittiğini gerçekten anlayabilirsiniz” dedi. “Bir yıldıza termometre koyup sıcaklığını ve bu koşulların madde içindeki atomlara ne yaptığını ölçmek gibi. Bu bize füzyon enerji kaynakları için maddeyi işlemenin yeni yollarını öğretebilir.”

Uluslararası araştırma ekibi, basınçlı iyonizasyon için gereken aşırı koşulları oluşturmak için dünyanın en büyük ve en enerjik lazeri olan Ulusal Ateşleme Tesisi’ni (NIF) kullandı. Ekip, 184 lazer ışını kullanarak boşluğun içini ısıtarak lazer enerjisini merkeze yerleştirilmiş 2 milimetre çapında bir berilyum kabuğunu ısıtan X ışınlarına dönüştürdü. Kabuğun dış yüzeyi sıcaklık artışı nedeniyle hızla genişledikçe, iç kısım içe doğru hızlandı, yaklaşık iki milyon kelvin sıcaklığa ve üç milyar atmosferlik basınca ulaştı ve birkaç nanosaniye için cüce yıldızlarda bulunan küçük bir madde parçası yarattı. bir laboratuvar.

Çevreleyen katının yoğunluğunun 30 katına kadar olan yüksek oranda sıkıştırılabilir berilyum numunesi, yoğunluğunu, sıcaklığını ve elektron yapısını anlamak için Thomson X-ışını saçılımı kullanılarak araştırıldı. Sonuçlar, güçlü ısıtma ve basınçtan sonra berilyumdaki her dört elektrondan en az üçünün iletken durumlara geçtiğini ortaya çıkardı. Ek olarak, çalışma, düşük artık elektron lokalizasyonuna işaret eden beklenmedik şekilde zayıf bir elastik saçılma ortaya çıkardı.

Dev gezegenlerin ve nispeten soğuk bazı yıldızların içlerindeki malzeme, üstteki katmanların ağırlığıyla sıkıca sıkıştırılıyor. Bu tür yüksek basınçlarda, yüksek basınç nedeniyle, atom çekirdeğinin yakınlığı, komşu iyonların elektronik bağlanma durumları arasında etkileşime ve sonunda bunların tamamen iyonlaşmasına yol açar. Yanan yıldızlarda iyonlaşma öncelikle sıcaklık tarafından belirlenirken, daha soğuk cisimlerde basınçtan kaynaklanan iyonlaşma hakimdir.

Gök cisimlerinin yapısı ve evrimi için önemli olmasına rağmen, yüksek oranda iyonize madde için bir yol olarak basınç iyonizasyonu teorik olarak tam olarak anlaşılamamıştır. Projeye liderlik eden LLNL fizikçisi Tilo Dubner, ayrıca, laboratuvarda maddenin gerekli aşırı hallerini yaratmanın ve incelemenin çok zor olduğunu söyledi.

Dubner, “Dev gezegenlerin ve yıldızların içinde bulunanlara benzer aşırı koşulları yeniden yaratarak, mevcut modellerin yakalayamadığı malzeme özellikleri ve elektron yapısındaki değişiklikleri gözlemleyebildik.” Dedi. “Çalışmamız, maddenin aşırı basınç altındaki davranışını incelemek ve modellemek için yeni ufuklar açıyor. Yoğun plazmada iyonlaşma, hal denklemini, termodinamik özellikleri ve opaklık yoluyla radyasyon taşınımını etkilediği için kilit bir faktördür.”

Araştırmanın ayrıca, X-ışını absorpsiyonu ve ayarlanabilirliğinin yüksek performanslı füzyon deneylerini optimize etmek için kilit faktörler olduğu NIF’deki kendi kendine hapsedilen füzyon deneyleri için önemli çıkarımları vardır. Dubner, basınç ve sıcaklıktan kaynaklanan kapsamlı bir iyonlaşma anlayışının, sıkıştırılmış malzemeleri modellemek ve nihayetinde lazerle çalışan nükleer füzyon yoluyla bol, karbonsuz bir enerji kaynağı geliştirmek için gerekli olduğunu söyledi.

“Ulusal Ateşleme Tesisinin benzersiz yetenekleri benzersizdir. Dünyada gezegen çekirdeklerinin ve yıldız içlerinin yoğun sıkıştırmasını laboratuvarda oluşturabileceğimiz, inceleyebileceğimiz ve izleyebileceğimiz tek bir yer var, o da dünyanın en büyük lazeri” dedi. Bruce Remington, NIF Discovery Science programı ve en aktif olanı. Önder. “NIF’de önceki araştırmaların temeline dayanan bu çalışma, laboratuvar astrofiziğinin sınırlarını genişletiyor.”

Referans: “Basınç nedeniyle K-kabuğu delokalizasyonunun başlangıcının gözlemlenmesi”, yazan T. Döppner, M. Bethkenhagen, D. Kraus, P. Neumayer, DA Chapman, B. Bachmann, RA Baggott, MP Böhme, L. Divol, ve RW Falcone, LB Fletcher, OL Landen, MJ MacDonald, AM Saunders, M. Schörner, PA Sterne, J. Vorberger, BBL Witte, A. Yi, R. Redmer, SH Glenzer ve DO Gericke, 24 Mayıs 2023, Mevcut Burada. doğa.
DOI: 10.1038/s41586-023-05996-8

Dubner liderliğindeki LLNL araştırma ekibi, ortak yazarlar Benjamin Bachmann, Laurent Devol, Otto Landin, Michael McDonald, Alison Saunders ve Phil Stern’den oluşuyordu.

Öncü araştırma, LLNL’deki Bilim Keşif Programının bir parçası olarak NIF’de Thomson X-ışını saçılımını geliştirmeye yönelik uluslararası bir işbirliğinin sonucuydu. İşbirlikçiler arasında SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı, California Berkeley Üniversitesi, Rostock Üniversitesi (Almanya),[{” 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.).