Ученые провели лабораторные эксперименты в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL), которые позволили по-новому взглянуть на сложный процесс ионизации под давлением на гигантских планетах и звездах. Их исследование раскрывает материальные свойства и поведение материи при экстремальном сжатии, предлагая важные выводы для исследований в области астрофизики и ядерного синтеза.
Международная исследовательская группа использовала самый большой и самый мощный в мире лазер National Ignition Facility (NIF) для создания экстремальных условий, необходимых для ионизации под давлением. Используя 184 лазерных луча, команда нагрела внутреннюю часть полости, преобразовав энергию лазера в рентгеновское излучение, которое нагрело бериллиевую оболочку диаметром 2 мм, расположенную в центре. Поскольку внешняя часть оболочки быстро расширялась из-за нагрева, внутренняя часть ускорялась внутрь, достигая температуры около двух миллионов кельвинов и давления до трех миллиардов атмосфер, создавая крошечный кусочек материи, анологичный той, что можно встретить в карликовых звездах, на несколько наносекунд.
Образец сильно сжатого бериллия, плотность которого в 30 раз превышает его плотность в твердом состоянии в окружающей среде, был исследован с использованием рентгеновского томсоновского рассеяния, чтобы определить его плотность, температуру и электронную структуру. Результаты показали, что после сильного нагрева и сжатия по крайней мере три из четырех электронов в бериллии перешли в проводящие состояния. Кроме того, исследование обнаружило неожиданно слабое упругое рассеяние, указывающее на уменьшенную локализацию оставшегося электрона.
Материя внутри планет-гигантов и некоторых относительно холодных звезд сильно сжата под весом вышележащих слоев. При таких высоких давлениях, создаваемых сильным сжатием, близость атомных ядер приводит к взаимодействиям между электронными связанными состояниями соседних ионов и в конечном итоге к их полной ионизации. В то время как ионизация в горящих звездах в основном определяется температурой, в более холодных объектах преобладает ионизация, вызванная давлением.
Несмотря на свою важность для структуры и эволюции небесных объектов, ионизация под давлением как путь к сильно ионизированному веществу теоретически недостаточно изучена. Более того, требуемые экстремальные состояния вещества очень сложно создать и изучить в лаборатории.
Воспроизводя экстремальные условия, подобные тем, что существуют внутри планет-гигантов и звезд, ученые впервые смогли наблюдать изменения в свойствах материалов и электронной структуре, которые не учитываются современными моделями. Эта работа открывает новые возможности для изучения и моделирования поведения вещества при экстремальном сжатии. Ионизация в плотной плазме является ключевым параметром, поскольку она влияет на уравнение состояния, термодинамические свойства и перенос излучения через непрозрачность.
Исследование также имеет высокое значение для экспериментов по термоядерному синтезу с инерционным удержанием в NIF, где поглощение рентгеновского излучения и сжимаемость являются ключевыми параметрами для оптимизации высокопроизводительных термоядерных экспериментов. Всестороннее понимание ионизации, вызванной давлением и температурой, необходимо для моделирования сжатых материалов и, в конечном итоге, для разработки обильного, безуглеродного источника энергии с помощью лазерного ядерного синтеза.
