Condițiile din vastul nostru univers pot fi foarte diferite. Căderile violente ale corpurilor cerești lasă cicatrici pe suprafața planetelor. Reacțiile nucleare din inimile stelelor generează cantități enorme de energie. Exploziile uriașe vor catapulta materia departe în spațiu. Dar cum procedează exact aceste procese ca acestea? Ce ne spun despre univers? Puterea lor poate fi folosită în beneficiul umanității?
Pentru a afla, oamenii de știință de la SLAC National Accelerator Laboratory au efectuat experimente sofisticate și simulări pe computer care recreează condițiile dure de spațiu de la micro-scala laboratorului.
"Domeniul astrofizicii de laborator crește într-un ritm rapid și este alimentat de o serie de descoperiri tehnologice", spune Siegfried Glenzer, șeful diviziei științifice cu densitate energetică ridicată la SLAC. „Avem acum lasere puternice pentru crearea stărilor extreme ale materiei, surse avansate de raze X pentru a analiza aceste stări la nivel atomic și supercomputere performante pentru simulări complexe care ne ghidează și ajută la explicarea experimentelor noastre. Cu oportunități vaste în aceste domenii, SLAC devine un teren deosebit de fertil pentru acest tip de cercetare.”
Trei studii recente care evidențiază această abordare implică lovituri de meteori, nuclee gigantice ale planetei și acceleratoare cosmice de particule de milioane de ori mai puternice decât Colizorul de Hadroni Mari, cel mai mare accelerator de particule de pe Pământ.
„Păcălele” cosmice indică meteori
Este cunoscut faptul că presiunea înaltă poate transforma forma moale a carbonului - grafit, care este utilizat ca plumb - într-o formă extrem de grea de carbon, diamantul. S-ar putea întâmpla acest lucru dacă un meteorit lovește grafit la sol? Oamenii de știință cred că pot, și că aceste căderi, de fapt, ar putea fi suficient de puternice pentru a produce ceea ce ei numesc lonsdaleite, o formă specială de diamant, care este chiar mai puternică decât un diamant obișnuit.
"Existenta lonsdaleitei a fost contestata, dar acum am gasit dovezi convingatoare pentru acest lucru", spune Glenzer, investigatorul principal al lucrarii, publicat in martie in Nature Communications.
Video promotional:
Oamenii de știință au încălzit suprafața grafitului cu un impuls cu laser optic puternic, care a trimis o undă de șoc în probă și l-a comprimat rapid. Strălucind razele X LCLS ultra strălucitoare prin sursă, oamenii de știință au putut vedea cum șocul a modificat structura atomică a grafitului.
„Am văzut forma lonsdaleitei în unele probe de grafit în câteva miliarde de secunde și la o presiune de 200 de gigapascali (de 2 milioane de ori presiunea atmosferică la nivelul mării)”, spune autorul principal Dominik Krautz, din Centrul German Helmholtz, cu sediul în California. Universitatea din Berkeley la momentul cercetării. "Aceste rezultate susțin cu tărie ideea că impacturile violente pot sintetiza această formă de diamant, iar acest lucru, la rândul nostru, ne poate ajuta să identificăm siturile de impact cu meteoriți."
Planetele gigant transformă hidrogenul în metal
Cel de-al doilea studiu, publicat recent în Nature Communications, analizează o altă transformare importantă care ar fi putut avea loc în planete gigantice cu gaz precum Jupiter, al cărui interior este în mare parte hidrogen lichid: la temperaturi și presiune ridicate, acest material trece de la „normal”, stare izolatoare electrică în metal, conductiv.
„Înțelegerea acestui proces oferă noi detalii despre formarea planetară și evoluția sistemului solar”, spune Glenzer, care a fost, de asemenea, unul dintre principalii investigatori ai lucrării. „Deși o astfel de tranziție era deja prevăzută în anii 1930, nu am deschis niciodată o fereastră directă către procesele atomice”.
Adică nu s-au deschis până când Glenzer și colegii săi de știință au efectuat un experiment la Livermore National Laboratory (LLNL), unde au folosit un laser Janus de mare putere pentru a comprima și încălzi rapid o probă de deuteriu lichid, o formă grea de hidrogen și pentru a crea o rafală de raze X., care a relevat schimbări structurale consistente în eșantion.
Oamenii de știință au văzut că peste o presiune de 250.000 de atmosfere și o temperatură de 7.000 de grade Fahrenheit, deuteriu se schimbă de la un lichid termoizolant neutru la unul metalizat ionizat.
"Simulările computerului arată că tranziția coincide cu separarea a doi atomi, de obicei legați împreună în molecule de deuteriu", spune autorul principal Paul Davis, student absolvent la Universitatea din California, Berkeley la momentul scrierii. "Aparent, presiunea și temperatura undei de șoc induse de laser distrug moleculele, electronii lor devin nelimitați și pot conduce electricitate."
În plus față de știința planetară, această cercetare ar putea ajuta și cercetarea care vizează utilizarea deuteriu ca combustibil nuclear pentru reacțiile termonucleare.
Cum se construiește un accelerator de spațiu
Al treilea exemplu de univers extrem, un univers „în prag”, sunt acceleratoarele de particule cosmice incredibil de puternice - în apropiere de găuri negre supermasive, de exemplu - curgând fluxuri de gaz ionizat, plasmă, sute de mii de ani-lumină în spațiu. Energia conținută în aceste fluxuri și câmpurile lor electromagnetice poate fi transformată în particule incredibil de energice, care produc rafale foarte scurte, dar intense de raze gamma care pot fi detectate pe Pământ.
Oamenii de știință ar dori să știe cum funcționează aceste acceleratoare de energie, deoarece acestea vor ajuta la înțelegerea universului. În plus, ar putea fi trase idei proaspete pentru construirea unor acceleratoare mai puternice. La urma urmei, accelerarea particulelor este în centrul multor experimente fundamentale de fizică și dispozitive medicale.
Oamenii de știință consideră că una dintre principalele forțe motrice din spatele acceleratoarelor spațiale ar putea fi „reconectarea magnetică” - un proces în care liniile de câmp magnetic dintr-o plasmă se rup și se reconectează într-un mod diferit, eliberând energia magnetică.
„Reconectarea magnetică a fost observată anterior în laborator, de exemplu, în experimentele cu coliziunea a două plasme care au fost create cu ajutorul unor lasere de mare putere”, spune Frederico Fiuza, un om de știință din cadrul Diviziei Științei cu Energie Mare și investigator principal al lucrării teoretice publicată în Physical Review Letters în martie. … „Cu toate acestea, niciunul dintre aceste experimente cu laser nu a observat o accelerație netermică a particulelor - accelerație neasociată cu încălzirea cu plasmă. Munca noastră arată că, cu un anumit design, experimentele noastre ar trebui să o vadă.
Echipa sa a derulat o serie de simulări computerizate care au prezis modul în care particulele plasmatice trebuie să se comporte în astfel de experimente. Cele mai grave calcule, bazate pe 100 de miliarde de particule, au necesitat peste un milion de ore de procesor și peste un terabyte de memorie la supercomputerul Mira de la Laboratorul Național Argonne.
„Am identificat parametrii cheie pentru detectoarele necesare, inclusiv gama de energie în care vor funcționa, rezoluția de energie necesară și locația în experiment”, a declarat autorul principal Samuel Totorika, student absolvent la Universitatea Stanford. „Rezultatele noastre reprezintă o rețetă pentru proiectarea experimentelor viitoare care vor dori să știe cum particulele obțin energia de la reconectarea magnetică”.
