أقوى ليزر في العالم يكشف أسرار التأين الناتج عن الضغط في النجوم والانصهار النووي

أجرى العلماء تجارب معملية في منشأة الإشعال الوطنية في مختبر لورانس ليفرمور الوطني والتي ولّدت الضغط الشديد اللازم للتأين الناتج عن الضغط. يوفر بحثهم رؤى جديدة للفيزياء الذرية عند ضغوط جيجابار ، والتي تفيد الفيزياء الفلكية وأبحاث الاندماج النووي. الائتمان: رسم توضيحي بواسطة Greg Stewart / مختبر التسريع الوطني SLAC ؛ أقحم بواسطة Jan Vorberger / Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

نجح العلماء في مختبر لورانس ليفرمور الوطني في استخدام أقوى ليزر في العالم لمحاكاة ودراسة التأين الناتج عن الضغط ، وهي عملية حيوية لفهم بنية الكواكب والنجوم. كشف البحث عن خصائص غير متوقعة للمادة المضغوطة للغاية وله آثار مهمة على أبحاث الفيزياء الفلكية والاندماج النووي.

أجرى العلماء تجارب معملية في مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) توفر رؤى جديدة حول العملية المعقدة للتأين الناتج عن الضغط في الكواكب والنجوم العملاقة. نُشر بحثهم في 24 مايو في طبيعة، يكشف عن خصائص المواد وسلوك المادة تحت ضغط شديد ، مما يعرض آثارًا مهمة على الفيزياء الفلكية وأبحاث الاندماج النووي.

قال المتعاون Siegfried Glenzer ، مدير قسم كثافة الطاقة العالية في مختبر التسريع الوطني SLAC التابع لوزارة الطاقة: “إذا كان بإمكانك إعادة إنشاء الظروف التي تحدث في جسم نجمي ، فيمكنك في الواقع معرفة ما يحدث بداخله”. “الأمر يشبه وضع مقياس حرارة في النجم وقياس درجة حرارته وما تفعله هذه الظروف بالذرات داخل المادة. يمكن أن تعلمنا طرقًا جديدة لمعالجة المادة لمصادر طاقة الاندماج “.

استخدم فريق البحث الدولي أكبر ليزر في العالم وأكثرها نشاطًا ، وهو منشأة الإشعال الوطنية (NIF) ، لتوليد الظروف القاسية اللازمة للتأين الناتج عن الضغط. من خلال استخدام 184 حزمة ليزر ، قام الفريق بتسخين الجزء الداخلي من التجويف ، وتحويل طاقة الليزر إلى أشعة سينية تسخن قشرة بريليوم قطرها 2 مم موضوعة في المركز. مع توسع السطح الخارجي للقشرة بسرعة بسبب ارتفاع درجة الحرارة ، تسارع الداخل نحو الداخل ، ووصل درجات الحرارة إلى حوالي مليوني كلفن وضغوط تصل إلى ثلاثة مليارات من الغلاف الجوي ، وخلق قطعة صغيرة من المادة كما هو موجود في النجوم القزمة لبضع ثوانٍ من النانو في معمل.

تم فحص عينة البريليوم شديدة الانضغاط ، بما يصل إلى 30 مرة من كثافتها الصلبة المحيطة ، باستخدام نثر طومسون بالأشعة السينية لاستنتاج كثافتها ودرجة حرارتها وهيكل الإلكترون. كشفت النتائج أنه بعد التسخين والضغط القوي ، انتقلت ثلاثة من كل أربعة إلكترونات على الأقل في البريليوم إلى حالات موصلة. بالإضافة إلى ذلك ، كشفت الدراسة عن تشتت مرن ضعيف بشكل غير متوقع ، مما يشير إلى انخفاض توطين الإلكترون المتبقي.

يتم ضغط المادة الموجودة في باطن الكواكب العملاقة وبعض النجوم الباردة نسبيًا بشدة بفعل وزن الطبقات الموجودة أعلاه. في مثل هذه الضغوط العالية ، الناتجة عن الضغط العالي ، يؤدي قرب النوى الذرية إلى تفاعلات بين حالات الربط الإلكترونية للأيونات المجاورة وفي النهاية تأينها الكامل. بينما يتم تحديد التأين في النجوم المحترقة بشكل أساسي من خلال درجة الحرارة ، فإن التأين الناتج عن الضغط يهيمن على الأجسام الأكثر برودة.

على الرغم من أهميته لبنية الأجرام السماوية وتطورها ، إلا أن تأين الضغط كمسار للمادة شديدة التأين غير مفهوم جيدًا من الناحية النظرية. علاوة على ذلك ، من الصعب جدًا إنشاء ودراسة الحالات القصوى للمادة المطلوبة في المختبر ، كما قال عالم الفيزياء في LLNL تيلو دوبنر ، الذي قاد المشروع.

قال دوبنر: “من خلال إعادة إنشاء ظروف قاسية مماثلة لتلك الموجودة داخل الكواكب والنجوم العملاقة ، تمكنا من ملاحظة التغيرات في خصائص المواد وبنية الإلكترون التي لم يتم التقاطها بواسطة النماذج الحالية”. “يفتح عملنا آفاقًا جديدة لدراسة ونمذجة سلوك المادة تحت ضغط شديد. التأين في البلازما الكثيفة هو عامل رئيسي لأنه يؤثر على معادلة الحالة والخصائص الديناميكية الحرارية ونقل الإشعاع من خلال العتامة. “

البحث له أيضًا آثار مهمة على تجارب اندماج الحبس الذاتي في NIF ، حيث يعد امتصاص الأشعة السينية وقابلية الانضغاط من العوامل الرئيسية لتحسين تجارب الاندماج عالية الأداء. قال دوبنر إن الفهم الشامل للتأين الناتج عن الضغط ودرجة الحرارة ضروري لنمذجة المواد المضغوطة وفي النهاية لتطوير مصدر طاقة وفير وخالي من الكربون عن طريق الاندماج النووي الذي يحركه الليزر.

“القدرات الفريدة في مرفق الإشعال الوطني لا مثيل لها. قال بروس ريمنجتون ، برنامج NIF Discovery Science ، إنه لا يوجد سوى مكان واحد على الأرض حيث يمكننا إنشاء ضغط شديد للنوى الكوكبية والتصميمات الداخلية النجمية في المختبر ، ودراستها ومراقبتها ، وذلك على أكبر ليزر في العالم وأكثرها نشاطًا “. قائد. “بناءً على أساس البحث السابق في NIF ، يعمل هذا العمل على توسيع حدود الفيزياء الفلكية المختبرية.”

المرجع: “مراقبة بداية إلغاء تحديد موقع قذيفة K بسبب الضغط” بقلم T. Döppner و M. Bethkenhagen و D. Kraus و P. Neumayer و DA Chapman و B. Bachmann و RA Baggott و MP Böhme و L. Divol و RW Falcone، LB Fletcher، OL Landen، MJ MacDonald، AM Saunders، M. Schörner، PA Sterne، J. Vorberger، BBL Witte، A. Yi، R. Redmer، SH Glenzer and DO Gericke، 24 May 2023، طبيعة.
DOI: 10.1038 / s41586-023-05996-8

بقيادة دوبنر ، ضم فريق بحث LLNL المؤلفين المشاركين بنجامين باخمان ، ولوران ديفول ، وأوتو لاندين ، ومايكل ماكدونالد ، وأليسون سوندرز ، وفيل ستيرن.

كان البحث الرائد نتيجة تعاون دولي لتطوير تشتت طومسون بالأشعة السينية في NIF كجزء من برنامج اكتشاف العلوم في LLNL. تضمن المتعاونون علماء من مختبر المسرع الوطني SLAC ، جامعة كاليفورنيا بيركلي ، جامعة روستوك (ألمانيا) ،[{” attribute=””>University of Warwick (U.K.), GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research (Germany), Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (Germany), University of Lyon (France), Los Alamos National Laboratory, Imperial College London (U.K.) and First Light Fusion Ltd. (U.K.).