Olosuhteet laajassa universumissamme voivat olla hyvin erilaisia. Taivaankappaleiden väkivaltaiset putoukset jättävät arvet planeettojen pinnalle. Ydinreaktiot tähsien sydämessä tuottavat valtavia määriä energiaa. Jättiläinen räjähdykset katapultti asia kauas avaruuteen. Mutta kuinka tällaiset prosessit etenevät? Mitä he kertovat meille maailmankaikkeudesta? Voidaanko heidän voimaansa käyttää ihmiskunnan hyväksi?
Tämän selvittämiseksi SLAC: n kansallisen kiihdytinlaboratorion tutkijat ovat suorittaneet hienostuneita kokeita ja tietokonesimulaatioita, jotka luovat uudelleen ankarat avaruusolosuhteet laboratorion mikromittakaavassa.
"Laboratorioastrofysiikan ala kasvaa nopeasti ja sitä tukee joukko teknisiä läpimurtoja", sanoo Siegfried Glenzer, SLAC: n korkean energiatiheyden tiedeosaston johtaja.”Meillä on nyt tehokkaita lasereita aineiden äärimmäisten tilojen luomiseen, edistyksellisiä röntgenlähteitä näiden tilojen analysoimiseksi atomitasolla ja tehokkaita supertietokoneita monimutkaisille simulaatioille, jotka opastavat ja auttavat selittämään kokeitamme. Näillä alueilla on valtavia mahdollisuuksia, ja SLACista on tulossa erityisen hedelmällinen perusta tällaiselle tutkimukselle.”
Kolme viimeaikaista tutkimusta, joissa korostetaan tätä lähestymistapaa, sisältävät meteorilakkoja, jättiläisiä planeetan ytimiä ja kosmisia hiukkaskiihdyttimiä miljoonia kertoja voimakkaammin kuin Large Hadron Collider, maan suurin hiukkaskiihdytin.
Kosmiset "korut" osoittavat meteoreja
On tunnettua, että korkea paine voi muuttaa hiilen pehmeän muodon - grafiitin, jota käytetään lyijynä - erittäin raskaaksi hiilen muotoksi, timantiksi. Voisiko tämä tapahtua, jos meteoriitti osuu grafiittia maahan? Tutkijat uskovat voivansa, ja että nämä putoukset voivat itse asiassa olla tarpeeksi voimakkaita tuottamaan sitä, mitä he kutsuvat lonsdaleiitiksi, erityinen timanttimuoto, joka on jopa vahvempi kuin tavallinen timantti.
"Lonsdaleiitin olemassaolosta on kiistelty, mutta nyt olemme löytäneet siitä pakottavia todisteita", sanoo Glenzer, maaliskuussa lehdessä Nature Communications julkaistun tutkimuksen päätutkija.
Mainosvideo:
Tutkijat lämmittivät grafiitin pintaa voimakkaalla optisella laserpulssilla, joka lähetti iskuaallon näytteeseen ja puristi sen nopeasti. Loistamalla kirkkaita, erittäin nopeita LCLS-röntgensäteitä lähteen läpi, tutkijat pystyivät näkemään, kuinka isku muutti grafiitin atomirakennetta.
"Näimme lonsdaleiitin muodon joissain grafiittinäytteissä muutamassa miljardissa sekunnissa ja 200 gigapaskalin paineessa (2 miljoonaa kertaa ilmanpaine merenpinnan tasolla)", sanoo pääkirjailija Dominik Krautz Kaliforniassa sijaitsevasta saksalaisesta Helmholtz-keskuksesta. University of Berkeley tutkimuksen aikaan. "Nämä tulokset tukevat voimakkaasti ajatusta, että väkivaltaiset vaikutukset voivat syntetisoida tämän timantin muodon, ja tämä puolestaan voi auttaa meitä tunnistamaan meteoriittien vaikutusalueita."
Jättiläiset planeetat muuttavat vedyn metalliksi
Toisessa tutkimuksessa, joka julkaistiin äskettäin Nature Communications -julkaisussa, tarkastellaan toista tärkeää muutosta, joka olisi voinut tapahtua Jupiterin kaltaisissa jättiläisissä kaasuplaneetoissa, joiden sisustus on enimmäkseen nestemäistä vetyä: korkeassa lämpötilassa ja paineessa tämä materiaali siirtyy "normaalista", sähköisesti eristävä tila metalliseksi, johtavaksi.
"Tämän prosessin ymmärtäminen tarjoaa uusia yksityiskohtia planeettojen muodostumisesta ja aurinkokunnan kehityksestä", sanoo Glenzer, joka oli myös yksi työn päätutkijoista. "Vaikka tällaista muutosta ennustettiin jo 1930-luvulla, emme koskaan avanneet suoraa ikkunaa atomiprosesseille."
Toisin sanoen, ne eivät avanneet, ennen kuin Glenzer ja hänen tutkijatoverinsa suorittivat kokeilun Livermore National Laboratoryssa (LLNL), missä he käyttivät suuritehoista Janus-laseria paineistamaan ja lämmittämään nopeasti nestemäisen deuteriumin, raskaan vedyn muodon, ja luomaan röntgenkuvauksen., joka paljasti yhdenmukaiset rakenteelliset muutokset näytteessä.
Tutkijat ovat havainneet, että yli 250 000 ilmakehän paineen ja lämpötilan, joka on 7 000 Fahrenheit-astetta, deuterium muuttuu neutraalista eristävästä nesteestä ionisoituneeksi metalliseksi.
"Tietokonesimulaatiot osoittavat, että siirtymä tapahtuu samanaikaisesti kahden atomin erottumisen kanssa, jotka yleensä ovat sitoutuneina deuteriummolekyyleihin", sanoo pääkirjailija Paul Davis, Kalifornian yliopiston Berkeleyn yliopiston jatko-opiskelija kirjoittamishetkellä. "Ilmeisesti laserin indusoiman iskallon paine ja lämpötila repeävät molekyylit toisistaan, niiden elektronit muuttuvat sitoutumattomiksi ja voivat johtaa sähköä."
Planettatieteen lisäksi tämä tutkimus voisi auttaa myös tutkimusta, jonka tarkoituksena on käyttää deuteriumia ydinpolttoaineena lämpöydinreaktioihin.
Kuinka rakentaa avaruuskiihdytin
Kolmas esimerkki äärimmäisestä maailmankaikkeudesta, "reunalla" sijaitsevasta maailmankaikkeudesta, on uskomattoman voimakkaita avaruushiukkaskiihdyttimiä - esimerkiksi lähellä supermassiivisia mustia reikiä -, jotka johtavat ionisoidun kaasun, plasman, satojen tuhansien valovuosien virran avaruuteen. Näihin virroihin sisältyvä energia ja niiden sähkömagneettiset kentät voidaan muuntaa uskomattoman energisiksi hiukkasiksi, jotka tuottavat hyvin lyhyet, mutta voimakkaat gammasäteiden purskeet, jotka voidaan havaita maan päällä.
Tutkijat haluaisivat tietää, kuinka nämä energiakiihdyttimet toimivat, koska se auttaa ymmärtämään maailmankaikkeutta. Lisäksi tästä voitiin vetää uusia ideoita tehokkaampien kiihdyttimien rakentamiseksi. Loppujen lopuksi hiukkaskiihdytys on monien perustavien fysiikan kokeiden ja lääketieteellisten laitteiden ydin.
Tutkijoiden mielestä yksi avaruuskiihdyttimien taustalla olevista päävoimista voisi olla "magneettinen uudelleenkytkentä" - prosessi, jossa plasman magneettikenttäviivat hajoavat ja kytkeytyvät uudelleen eri tavalla vapauttaen magneettista energiaa.
”Magneettisia yhteyksiä on aiemmin havaittu laboratoriossa, esimerkiksi kokeissa kahden suuren plasmatehon törmäyksessä, jotka on luotu suuritehoisilla lasereilla”, kertoo korkeaenergiatiheyden tiedeosaston tutkija ja maaliskuussa julkaisussa Physical Review Letters julkaistujen teoreettisen työn päätutkija Frederico Fiutsa. … "Siitä huolimatta, mikään näistä laserkokeista ei ole havainnut hiukkasten ei-termaalista kiihtyvyyttä - kiihtyvyyttä, joka ei liity plasmalämmitykseen. Työmme osoittaa, että tietyllä suunnittelulla kokeilumme pitäisi nähdä se."
Hänen tiiminsä järjesti sarjan tietokonesimulaatioita, jotka ennustivat kuinka plasmapartikkelien tulisi toimia tällaisissa kokeissa. Vakavimmat, 100 miljardiin hiukkasiin perustuvat laskelmat vaativat yli miljoona prosessorituntia ja yli teratavan muistin Miran supertietokoneella Argonnen kansallisessa laboratoriossa.
"Olemme tunnistaneet tarvittavien ilmaisimien avainparametrit, mukaan lukien niiden energia-alueen, jolla ne toimivat, vaaditun energian resoluution ja sijainnin kokeessa", sanoi Stanfordin yliopiston jatko-opiskelija, johtava kirjailija Samuel Totorika. "Tuloksemme edustavat resepti tulevaisuuden kokeilujen suunnitteluun, jotka haluavat tietää kuinka hiukkaset saavat energiaa magneettisen uudelleenkytkennän kautta."
