Uvjeti u našem ogromnom svemiru mogu biti vrlo različiti. Nasilni padi nebeskih tijela ostavljaju ožiljke na površini planeta. Nuklearne reakcije u srcima zvijezda stvaraju ogromne količine energije. Velike eksplozije će katapultirati materiju daleko u svemir. Ali kako točno teku procesi poput ovih? Što nam govore o svemiru? Može li se njihova moć koristiti u korist čovječanstva?
Da bi to doznali, znanstvenici u Nacionalnom laboratoriju za ubrzavanje SLAC-a proveli su sofisticirane eksperimente i računalne simulacije koje rekreiraju teške svemirske uvjete na mikro-mjerilu laboratorija.
"Područje laboratorijske astrofizike brzo raste i potaknuto je brojnim tehnološkim pomacima", kaže Siegfried Glenzer, šef odjela za znanost o visokoj energetskoj gustoći u SLAC-u. „Sada imamo snažne lasere za stvaranje ekstremnih stanja materije, napredne izvore rendgenskih zraka za analizu tih stanja na atomskoj razini i superračunala visokih performansi za složene simulacije koje vode i pomažu objasniti naše eksperimente. Uz ogromne mogućnosti na ovim područjima, SLAC postaje posebno plodno tlo za ovu vrstu istraživanja."
Tri nedavne studije koje ističu ovaj pristup uključuju meteorske napade, ogromne jezgre planeta i kozmičke akceleratore čestica milijunima puta snažnijim od Velikog hadronskog sudarača, najvećeg akceleratora čestica na Zemlji.
Kozmički "sitnice" označavaju meteore
Poznato je da visoki tlak može pretvoriti meki oblik ugljika - grafit, koji se koristi kao olovo - u izuzetno težak oblik ugljika, dijamanta. Je li se to moglo dogoditi ako meteor pogodi grafit na zemlju? Znanstvenici vjeruju da mogu, i da bi ti padovi, u stvari, mogli biti dovoljno moćni da proizvedu lonsdaleit, poseban oblik dijamanta koji je čak jači od običnog dijamanta.
"Postojanje lonsdaleita sporno je, ali sada smo našli uvjerljive dokaze za to", kaže Glenzer, glavni istraživač rada, objavljenog u ožujku u časopisu Nature Communications.
Promotivni video:
Znanstvenici su zagrijali površinu grafita snažnim optičkim laserskim impulsom, koji je poslao udarni val u uzorak i brzo ga komprimirao. Svjetlujući svijetli, ultrabrzi LCLS-zraci kroz izvor, znanstvenici su mogli vidjeti kako šok mijenja atomsku strukturu grafita.
"Vidjeli smo oblik lonsdaleita u nekim uzorcima grafita u nekoliko milijardi sekundi i pri tlaku od 200 gigapaskala (2 milijuna puta više od atmosferskog tlaka na razini mora)", kaže glavni autor Dominik Krautz iz njemačkog centra Helmholtz sa sjedištem u Kaliforniji. Sveučilište u Berkeleyu u vrijeme istraživanja. "Ovi rezultati snažno podržavaju ideju da nasilni utjecaji mogu sintetizirati ovaj oblik dijamanata, a to nam, zauzvrat, može pomoći u identificiranju mjesta udara meteora."
Divovski planeti pretvaraju vodik u metal
Druga studija, objavljena nedavno u časopisu Nature Communications, razmatra još jednu važnu transformaciju koja se mogla dogoditi unutar divovskih planeta plina poput Jupitera, čija je unutrašnjost uglavnom tekući vodik: pri visokoj temperaturi i tlaku, ovaj materijal se pomiče iz "normalnog", električno izolirajuće stanje u metalno, provodljivo.
"Razumijevanje ovog procesa pruža nove detalje o planetarnom stvaranju i evoluciji Sunčevog sustava", kaže Glenzer, koji je ujedno i jedan od glavnih istraživača djela. "Iako je takav prijelaz predviđen već u 1930-ima, nikada nismo otvorili izravan prozor atomskim procesima."
Odnosno, nije otvoren sve dok Glenzer i njegovi kolege znanstvenici nisu proveli eksperiment u Livermore National Laboratory (LLNL), gdje su koristili jaku-laserski laser za brzo stiskanje i zagrijavanje uzorka tekućeg deuterijuma, teškog oblika vodika, i stvorili eksploziju rendgenskih zraka., koje su otkrile konzistentne strukturne promjene u uzorku.
Znanstvenici su vidjeli da se deuterij iznad tlaka od 250 000 atmosfere i temperature od 7000 stupnjeva Farenhajta mijenja iz neutralne izolacijske tekućine u joniziranu metalnu.
"Kompjuterske simulacije pokazuju da se prijelaz podudara s odvajanjem dva atoma, obično spojenih zajedno u molekulama deuterija," kaže glavni autor Paul Davis, student poslijediplomskog studija na Sveučilištu Kalifornija u Berkeleyu. "Očito, tlak i temperatura udara izazvanog laserom razdvajaju molekule, njihovi elektroni postaju nevezani i mogu provesti struju."
Pored planetarnih znanosti, ovo bi istraživanje moglo također pomoći istraživanju usmjerenom na korištenje deuterija kao nuklearnog goriva za termonuklearne reakcije.
Kako izgraditi svemirski akcelerator
Treći primjer ekstremnog svemira, svemira "na ivici", nevjerojatno su snažni akceleratori čestica svemira - u blizini supermasivne crne rupe, na primjer - izbacivanje tokova ioniziranog plina, plazme, stotina tisuća svjetlosnih godina u svemir. Energija sadržana u tim strujama i njihovim elektromagnetskim poljima mogu se pretvoriti u nevjerojatno energetske čestice koje stvaraju vrlo kratke, ali intenzivne navale gama zraka koje se mogu detektirati na Zemlji.
Znanstvenici bi željeli znati kako djeluju ovi akceleratori energije, jer će to pomoći u razumijevanju svemira. Osim toga, iz ovoga bi se mogle izvući svježe ideje za izgradnju snažnijih akceleratora. Uostalom, ubrzanje čestica je u središtu mnogih temeljnih fizikalnih eksperimenata i medicinskih uređaja.
Znanstvenici vjeruju da bi jedna od glavnih pokretačkih sila iza svemirskih akceleratora mogla biti "magnetsko ponovno spajanje" - proces u kojem se linije magnetskog polja u plazmi raspadaju i ponovno povezuju na drugačiji način, oslobađajući magnetsku energiju.
„Magnetska rekonekcija ranije je primijećena u laboratoriju, na primjer, u eksperimentima sa sudarom dvije plazme stvorene pomoću lasera velike snage“, kaže Frederico Fiuza, znanstvenik u Odjelu za znanost velike energetske gustoće i glavni istraživač teorijskog rada objavljenog u časopisu Physical Review Letters u ožujku. … "Ipak, ni u jednom od ovih laserskih pokusa nije uočeno netermalno ubrzanje čestica - ubrzanje koje nije povezano s grijanjem u plazmi. Naš rad pokazuje da bi ga s određenim dizajnom trebali vidjeti i naši eksperimenti."
Njegov je tim izveo niz računalnih simulacija koje su predviđale kako se čestice plazme trebaju ponašati u takvim eksperimentima. Najozbiljniji izračuni, temeljeni na 100 milijardi čestica, zahtijevali su više od milijun CPU sati i više od terabajta memorije na superračunalu Mira u Nacionalnom laboratoriju Argonne.
„Identificirali smo ključne parametre za potrebne detektore, uključujući energetski raspon u kojem će raditi, potrebnu energetsku razlučivost i mjesto u eksperimentu“, rekao je glavni autor Samuel Totorika, student na Sveučilištu Stanford. "Naši rezultati predstavljaju recept za dizajniranje budućih eksperimenata koji će htjeti znati kako čestice dobivaju energiju iz magnetske rekonekcije."
