Вселената "на ръба" е пресъздадена в лаборатория
Условията в нашата огромна вселена могат да бъдат много различни. Яростните падания на небесни тела оставят белези по повърхността на планетите. Ядрените реакции в сърцата на звездите генерират огромни количества енергия. Гигантски експлозии катапултират материята далеч в космоса. Но как точно работят процеси като тези? Какво ни казват те за Вселената? Може ли силата им да се използва в полза на човечеството?
За да разберат, учените от SLAC National Accelerator Laboratory проведоха сложни експерименти и компютърни симулации, които пресъздадоха бруталните космически условия в микромащаба на лабораторията.
„Полето на лабораторната астрофизика се разраства с бързи темпове и се подхранва от редица технологични пробиви“, казва Зигфрид Гленцер, ръководител на отдела за наука за висока енергийна плътност в SLAC. „Сега имаме мощни лазери за създаване на екстремни състояния на материята, усъвършенствани рентгенови източници за анализиране на тези състояния на атомно ниво и високопроизводителни суперкомпютри за провеждане на сложни симулации, които насочват и помагат да се обяснят нашите експерименти. С широки възможности в тези области, SLAC се превръща в особено плодородна почва за този вид изследвания.
Три скорошни проучвания, подчертаващи този подход, включват удари на метеори, ядра на гигантски планети и ускорители на космически частици, милиони пъти по-мощни от Големия адронен колайдер, най-големият ускорител на частици на Земята.
Космическите "дреболии" сочат към метеори
Известно е, че високото налягане може да превърне меката форма на въглерод - графит, който се използва като олово - в изключително тежка форма на въглерод, диамант. Може ли това да се случи, ако метеор удари графит на земята? Ученивярвам, че може и че тези падания всъщност могат да бъдат достатъчно мощни, за да произведат това, което е известно като лонсдейлит, специална форма на диамант, който е дори по-здрав от обикновения диамант.
Учените нагряват графитната повърхност с мощен оптичен лазерен импулс, който изпраща ударна вълна в пробата и бързо я компресира. Чрез излъчване на ярки, ултрабързи LCLS рентгенови лъчи през източника, учените успяха да видят как ударът промени атомната структура на графита.
Гигантските планети превръщат водорода в метал
„Разбирането на този процес предоставя нови подробности за формирането на планетите и еволюцията на слънчевата система“, казва Глензър, който също беше един от главните изследователи на тази работа. „Въпреки че такъв преход вече беше предсказан през 30-те години на миналия век, ние никога не отворихме директен прозорец към атомните процеси.“
Тоест не беше открито, докато Глензър и неговите колеги учени не проведоха експеримент в Ливърморската национална лаборатория (LLNL), където използваха мощен лазер Janus за бързо компресиране и нагряване на проба от течен деутерий, тежка форма на водород, и създаване на изблик на рентгенови лъчи, които разкриха последователни структурни промени в пробата.
Учените са видели, че над налягане от 250 000 атмосфери и температура от 7000 градуса по Фаренхайт деутерият се променя от неутрална изолираща течност в йонизирана метална.
В допълнение към планетарната наука, това изследване може също да помогне в изследванията, насочени към използването на деутерий като ядрено гориво за термоядрени реакции.
Как да изградим космически бустер
Третият пример за екстремна вселена, вселена "на ръба", са невероятно мощните космически ускорители.частици - близо до свръхмасивни черни дупки, например - изхвърлящи потоци от йонизиран газ, плазма, стотици хиляди светлинни години в космоса. Енергията, съдържаща се в тези потоци и техните електромагнитни полета, може да се преобразува в невероятно енергийни частици, които произвеждат много кратки, но интензивни светкавици на гама лъчи, които могат да бъдат открити на Земята.
Учените биха искали да знаят как работят тези енергийни ускорители, тъй като това ще помогне да се разбере Вселената. Освен това от това могат да се извлекат свежи идеи за изграждането на по-мощни ускорители. В крайна сметка ускорението на частиците е в основата на много фундаментални физични експерименти и медицински устройства.
Учените вярват, че една от основните движещи сили зад космическите ускорители може да е "магнитното повторно свързване" - процес, при който линиите на магнитното поле в плазмата се разпадат и свързват отново по други начини, освобождавайки магнитна енергия.
Неговият екип проведе серия от компютърни симулации, които предсказаха как трябва да се държат плазмените частици в такива експерименти. Най-сериозните изчисления, базирани на 100 милиарда частици, изискват повече от милион CPU часа и повече от терабайт памет на суперкомпютъра Mira на Argonne National Laboratory.