Sąlygos mūsų didžiulėje visatoje gali būti labai skirtingos. Smurtiniai dangaus kūnų kritimai palieka randus ant planetų paviršiaus. Branduolinės reakcijos žvaigždžių širdyse sukuria didžiulį energijos kiekį. Milžiniški sprogimai katapultuos materiją toli į kosmosą. Bet kaip tiksliai vyksta tokie procesai? Ką jie mums sako apie visatą? Ar jų galia gali būti naudojama žmonijos labui?
Norėdami tai sužinoti, SLAC nacionalinės greitintuvo laboratorijos mokslininkai atliko sudėtingus eksperimentus ir kompiuterines simuliacijas, atkuriančias atšiaurias kosmoso sąlygas laboratorijos mikrolygiu.
- „Salik.biz“
„Laboratorinės astrofizikos sritis sparčiai auga ir ją skatina daugybė technologinių proveržių“, - sako Siegfried Glenzer, SLAC aukšto energijos tankio mokslo skyriaus vadovas. „Dabar turime galingus lazerius, skirtus ekstremalioms materijos būsenoms sukurti, pažangius rentgeno spindulių šaltinius, skirtus analizuoti šias būsenas atominiame lygmenyje, ir didelio našumo superkompiuterius, skirtus sudėtingam modeliavimui, kuris nukreipia ir padeda paaiškinti mūsų eksperimentus. Esant didelėms galimybėms šiose srityse, SLAC tampa ypač derlinga dirva tokio pobūdžio tyrimams. “
Trys naujausi tyrimai, išryškinantys šį požiūrį, apima meteorų smūgius, milžiniškus planetos branduolius ir kosminių dalelių greitintuvus milijonus kartų galingesnius nei „Big Hadron Collider“- didžiausias kietųjų dalelių greitintuvas Žemėje.
Kosminiai „niekučiai“nurodo meteorus
Yra žinoma, kad aukštas slėgis gali paversti minkštą anglies - grafito, kuris naudojamas kaip švinas, formą - į ypač sunkią anglies formą, deimantą. Ar taip gali nutikti, jei meteoras atsitrenks į grafitą ant žemės? Mokslininkai mano, kad jie gali, ir kad šie kritimai, tiesą sakant, gali būti pakankamai galingi, kad būtų galima pagaminti vadinamąjį lonsdaleitą, ypatingą deimanto formą, kuri yra net stipresnė nei įprastas deimantas.
„Lonsdaleito egzistavimas buvo nuginčytas, tačiau dabar mes radome įtikinamų įrodymų tam“, - sako kovo mėnesį žurnale „Nature Communications“paskelbtas pagrindinis tyrėjas Glenzeris.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Mokslininkai kaitino grafito paviršių galingu optinio lazerio impulsu, kuris į mėginį pasiuntė smūgio bangą ir greitai ją suspaudė. Per šaltinį spindėdami ryškiais, ypač greitais LCLS rentgeno spinduliais, mokslininkai sugebėjo pamatyti, kaip smūgis pakeitė atominę grafito struktūrą.
„Kai kuriuose grafito pavyzdžiuose mes matėme lonsdaleito formą per kelias milijardo sekundes ir esant 200 gigapaskalų slėgiui (2 milijonai kartų viršija atmosferos slėgį jūros lygyje)“, - sako pagrindinis autorius Dominik Krautz iš Vokietijos Helmholtz centro, įsikūrusio Kalifornijoje. Berklio universitetas tyrimų metu. "Šie rezultatai labai patvirtina mintį, kad žiaurus smūgis gali susintetinti šią deimanto formą, ir tai, savo ruožtu, gali padėti mums nustatyti meteorų poveikio vietas."
Milžiniškos planetos vandenilį paverčia metalu
Antrasis tyrimas, neseniai paskelbtas žurnale „Nature Communications“, apžvelgia dar vieną svarbų virsmą, kuris galėjo įvykti milžiniškų dujų planetų, tokių kaip Jupiteris, viduje, kurios vidus daugiausia yra skystas vandenilis: esant aukštai temperatūrai ir slėgiui, ši medžiaga pasislenka nuo „normalios“, elektriškai izoliuojanti būsena yra metalinė, laidi.
„Supratimas apie šį procesą suteikia naujų detalių apie planetų formavimąsi ir Saulės sistemos evoliuciją“, - sako Glenzeris, kuris taip pat buvo vienas pagrindinių šio darbo tyrinėtojų. "Nors toks perėjimas buvo numatytas jau 1930-aisiais, mes niekada neatvėrėme tiesioginio lango į atominius procesus".
Tai yra, jis nebuvo atidarytas, kol Glenzeris ir jo kolegos mokslininkai neatliko eksperimento Livermore nacionalinėje laboratorijoje (LLNL), kur jie panaudojo didelės galios „Janus“lazerį, norėdami greitai išspausti ir pašildyti skysto deuterio, sunkiosios formos vandenilio, mėginį ir sukurti rentgeno spindulį., kuris atskleidė nuoseklius struktūros pokyčius imtyje.
Mokslininkai pastebėjo, kad esant 250 000 atmosferų slėgiui ir 7 000 laipsnių Farenheito temperatūrai, deuteris iš neutralaus izoliacinio skysčio pasikeičia į jonizuotą metalinį.
„Kompiuterinis modeliavimas rodo, kad perėjimas sutampa su dviejų atomų, paprastai sujungtų deuterio molekulėmis, atskyrimu“, - sako pagrindinis autorius Paulius Davisas, Kalifornijos universiteto Berklio universiteto magistrantas, rašymo metu. "Matyt, lazerio sukeltos smūgio bangos slėgis ir temperatūra atplėšia molekules, jų elektronai tampa nesusieti ir gali praleisti elektrą."
Be planetų mokslo, šie tyrimai taip pat galėtų padėti moksliniams tyrimams, kurių tikslas - naudoti deuterį kaip branduolinį kurą termobranduolinėms reakcijoms.
Kaip sukurti kosmoso greitintuvą
Trečiasis kraštutinės visatos, „ant krašto“esančios visatos, pavyzdys yra neįtikėtinai galingi kosminių dalelių greitintuvai - pavyzdžiui, šalia supermasyvių juodųjų skylių - į kosmosą nukreipiantys jonizuotų dujų, plazmos srautus, šimtus tūkstančių šviesmečių. Šių srovių energija ir jų elektromagnetiniai laukai gali būti paversti neįtikėtinai energetinėmis dalelėmis, kurios gamina labai trumpus, bet intensyvius gama spindulių bangas, kuriuos galima aptikti Žemėje.
Mokslininkai norėtų žinoti, kaip veikia šie energijos greitintuvai, nes tai padės suprasti visatą. Be to, iš to galima pasisemti naujų idėjų, kaip pastatyti galingesnius greitintuvus. Juk dalelių pagreitis yra daugelio pagrindinių fizikos eksperimentų ir medicinos prietaisų pagrindas.
Mokslininkai mano, kad viena pagrindinių kosminių greitintuvų varomųjų jėgų galėtų būti „magnetinis atsijungimas“- procesas, kurio metu plazmoje esančios magnetinio lauko linijos suskaidomos ir vėl sujungiamos, išleidžiant magnetinę energiją.
„Magnetinis sujungimas anksčiau buvo stebimas laboratorijoje, pavyzdžiui, atliekant dviejų plazmų, kurios buvo sukurtos naudojant didelio galingumo lazerius, susidūrimus“, - sako Frederico Fiuza, Aukšto energijos tankio mokslo skyriaus mokslininkas ir kovo mėnesį „Physical Review Letters“paskelbto teorinio darbo pagrindinis tyrėjas. … „Nepaisant to, nė viename iš šių lazerių eksperimentų nepastebėtas neterminis dalelių pagreitis - pagreitis, nesusijęs su plazmos kaitinimu. Mūsų darbas rodo, kad turėdami tam tikrą dizainą, mūsų eksperimentai turėtų tai pamatyti. “
Jo komanda atliko kompiuterinio modeliavimo seriją, kuri numatė, kaip plazmos dalelės turėtų elgtis atliekant tokius eksperimentus. Labiausiai rimtiems skaičiavimams, pagrįstiems 100 milijardų dalelių, prireikė daugiau nei milijono procesoriaus valandų ir daugiau kaip terabaito atminties superkompiuteriu „Mira“Argonnės nacionalinėje laboratorijoje.
„Mes nustatėme pagrindinius reikalingų detektorių parametrus, įskaitant energijos diapazoną, kuriame jie veiks, reikiamą energijos skiriamąją gebą ir vietą eksperimente“, - sakė pagrindinis autorius Samuelis Totorica, Stanfordo universiteto magistrantas. "Mūsų rezultatai atspindi būsimų eksperimentų, kurių metu norima sužinoti, kaip dalelės gauna energiją iš magnetinio ryšio, receptą."