Умови в нашому величезному Всесвіті можуть бути самими різними. Жорстокі падіння небесних тіл залишають на поверхні планет шрами. Ядерні реакції в серцях зірок генерують величезну кількість енергії. Гігантські вибухи катапультують речовину далеко в космос. Але як саме протікають процеси на зразок цих? Що вони говорять нам про Всесвіт? Чи можна використовувати їх силу на благо людства?
Щоб з'ясувати це, вчені з Національної прискорювальної лабораторії SLAC провели складні експерименти і комп'ютерне моделювання, яке відтворює жорстокі космічні умови в микромасштабах лабораторії.
«Сфера лабораторної астрофізики зростає швидкими темпами і підживлюється цілим рядом технологічних проривів, - говорить Зігфрід Гленцер, глава наукового відділення високої щільності енергії в SLAC. - Тепер у нас є потужні лазери для створення екстремальних станів речовини, передові рентгенівські джерела для аналізу цих станів на атомному рівні і високопродуктивні суперкомп'ютери для проведення комплексних симуляцій, які направляють і допомагають пояснити наші експерименти. З великими можливостями в цих областях, SLAC стає особливо родючим грунтом для такого роду досліджень ».
Три недавно проведених дослідження, підкреслюють цей підхід, зачіпають падіння метеорів, ядра гігантських планет і космічні прискорювачі часток, в мільйони разів могутніше Великого адронного коллайдера, найбільшого прискорювача частинок на Землі.
Космічні «дрібнички» вказують на метеори
Відомо, що високий тиск може перетворювати м'яку форму вуглецю - графіту, який використовується в якості грифеля - в надзвичайно важку форму вуглецю, алмаз. Чи може таке статися, якщо метеор потрапить в графіт на землі? Вчені вважають, що може, і що ці падіння, по суті, можуть бути досить потужними, щоб зробити так званий лонсдейліт, особливу форму алмазу, яка навіть ще міцніше, ніж звичайний алмаз.
«Існування лонсдейліта було оскаржено, але тепер ми знайшли переконливі докази цього», - каже Гленцер, головний дослідник роботи, опублікованої в березні в Nature Communications.
Вчені нагріли поверхню графіту потужним оптичним лазерним імпульсом, який відправляв ударну хвилю всередину зразка і швидко його стискав. Просвічуючи джерело яскравими, надшвидкими рентгенівськими променями LCLS, вчені змогли побачити, як шок змінив атомну структуру графіту.
«Ми побачили, що в деяких зразках графіту, за кілька мільярдних часток секунди і при тиску в 200 гігапаскалів (в 2 мільйони разів більше атмосферного тиску на рівні моря) утворився лонсдейліт», говорить провідний автор Домінік Крауц з Німецького центру Гельмгольца, який працював в Каліфорнійському університеті в Берклі на момент проведення досліджень. «Ці результати потужно підтримують ідею про те, що жорстокі удари можуть синтезувати цю форму алмаза, і це, в свою чергу, може допомогти нам виявити місця падіння метеорів».
Гігантські планети перетворюють водень в метал
Друге дослідження, опубліковане днями в Nature Communications, присвячене іншої важливої трансформації, яка могла відбуватися всередині гігантських газових планет на зразок Юпітера, внутрішня частина яких здебільшого складається з рідкого водню: при високій температурі і тиску, цей матеріал переходить з «звичайного», електроізолюючого стану в металеве, що проводить.
«Розуміння цього процесу забезпечує нові подробиці про формування планет і еволюції Сонячної системи», говорить Гленцер, який також був одним з головних дослідників цієї роботи. «Хоча такий перехід уже був передбачений в 1930-х роках, ми ніколи не відкривали пряме віконце в атомні процеси».
Тобто не відчиняли до тих пір, поки Гленцер і його колеги-вчені не провели експеримент в Національній лабораторії Лівермора (LLNL), де використовували високопотужний лазер Janus, щоб швидко стискати і нагрівати зразок рідкого дейтерію, важкої форми водню, і створити спалах рентгенівських променів , яка виявила послідовні структурні зміни в зразку.
Вчені побачили, що вище тиску у 250 000 атмосфер і температури в 7000 градусів за Фаренгейтом, дейтерій дійсно змінюється з нейтральною ізолюючої рідини в іонізовану металеву.
«Комп'ютерні моделювання показують, що перехід збігається з поділом двох атомів, як правило, пов'язаних між собою в молекулах дейтерію», говорить провідний автор Пол Девіс, аспірант Каліфорнійського університету в Берклі на момент написання дослідження. «По всій видимості, тиск і температура викликаної лазером ударної хвилі розривають молекули на частини, їх електрони стають непов'язаними і можуть проводити електрику».
На додаток до планетарної науці, це дослідження могло б також допомогти в дослідженнях, спрямованих на використання дейтерію в якості ядерного палива для термоядерних реакцій.
Як побудувати космічний прискорювач
Третій приклад екстремальної всесвіту, всесвіту «на грані», це неймовірно потужні космічні прискорювачі часток - поблизу надмасивних чорних дір, наприклад - викидають потоки іонізованого газу, плазми, на сотні тисяч світлових років в космос. Енергія, яка міститься в цих потоках і їх електромагнітних полях, може конвертуватися в неймовірно енергійні частинки, які виробляють дуже короткі, але інтенсивні спалахи гамма-променів, які можуть бути виявлені на Землі.
Вченим хотілося б дізнатися, як працюють ці енергетичні прискорювачі, оскільки це допоможе зрозуміти Всесвіт. Крім того, з цього можна було б витягти свіжі ідеї для будівництва більш потужних прискорювачів. Зрештою, прискорення частинок лежить в основі багатьох фундаментальних фізичних експериментів і медичних пристроїв.
Вчені вважають, що одна з головних рушійних сил, що стоять за космічними прискорювачами, може бути «магнітним перез'єднання» - процесом, в якому лінії магнітного поля в плазмі розбиваються і перез'єднання іншим шляхом, випускаючи магнітну енергію.
«Магнітне перез'єднання раніше спостерігали в лабораторії, наприклад, в експериментах із зіткненням двох плазм, які були створені за допомогою надпотужних лазерів", говорить Фредеріко Фіуца, вчений з наукового відділення високої щільності енергії і головний дослідник теоретичної роботи, опублікованої в березні в Physical Review Letters , «Проте ні в одному з таких лазерних експериментів не спостерігали нетермальное прискорення частинок - прискорення, не пов'язане з нагріванням плазми. Наша робота показує, що при певному проектуванні наші експерименти повинні його побачити ».
Його команда провела ряд комп'ютерних моделювань, які передбачили, як повинні поводитися частки плазми в таких експериментах. Найсерйозніші розрахунки на основі 100 мільярдів частинок зажадали більше мільйона годин роботи центрального процесора і більш терабайта пам'яті суперкомп'ютера Mira Аргонської національної лабораторії.
«Ми визначили ключові параметри для необхідних детекторів, включаючи енергетичний діапазон, в якому вони будуть працювати, необхідне енергетичне дозвіл і місце розташування в експерименті, - говорить провідний автор дослідження Самуель Тоторіка, аспірант Стенфордського університету. - Наші результати є рецепт для проектування майбутніх експериментів, які захочуть дізнатися, як частинки отримують енергію в процесі магнітного перез'єднання ».
