Podmienky v našom obrovskom vesmíre môžu byť veľmi odlišné. Násilné pády nebeských telies zanechávajú jazvy na povrchu planét. Jadrové reakcie v srdciach hviezd vytvárajú obrovské množstvo energie. Obrovské explózie budú katapultovať hmotu ďaleko do vesmíru. Ako presne však postupujú tieto procesy? Čo nám hovoria o vesmíre? Môže byť ich sila použitá v prospech ľudstva?
Vedci z laboratória SLAC National Accelerator Laboratory uskutočnili sofistikované experimenty a počítačové simulácie, ktoré obnovujú drsné vesmírne podmienky na mikroúrovni laboratória.
„Pole laboratórnej astrofyziky rastie rýchlym tempom a je poháňané množstvom technologických objavov,“hovorí Siegfried Glenzer, vedúci oddelenia vedy o vysokej hustote energie v SLAC. „Teraz máme výkonné lasery na vytváranie extrémnych stavov hmoty, pokročilé röntgenové zdroje na analýzu týchto stavov na atómovej úrovni a vysokovýkonné superpočítače pre komplexné simulácie, ktoré slúžia ako pomôcka pri vysvetľovaní našich experimentov. S veľkými príležitosťami v týchto oblastiach sa SLAC stáva zvlášť úrodnou pôdou pre tento druh výskumu. “
Tri nedávne štúdie zdôrazňujúce tento prístup zahŕňajú meteorické údery, obrovské jadrá planét a urýchľovače kozmických častíc miliónkrát silnejšie ako Large Hadron Collider, najväčší urýchľovač častíc na Zemi.
Kozmické trinkety označujú meteory
Je známe, že vysoký tlak môže premeniť mäkkú formu uhlíka - grafitu, ktorý sa používa ako olovo - na extrémne ťažkú formu uhlíka, diamantu. Mohlo by sa to stať, ak meteor zasiahne grafit na zemi? Vedci sa domnievajú, že môžu, a že tieto pády by v skutočnosti mohli byť dosť silné na to, aby produkovali to, čo sa nazýva lonsdaleit, špeciálna forma diamantu, ktorá je ešte silnejšia ako bežný diamant.
„Existencia lonsdaleitu bola sporná, ale teraz sme na to našli presvedčivé dôkazy,“hovorí Glenzer, hlavný vyšetrovateľ novín, uverejnený v marci v Nature Communications.
Propagačné video:
Vedci zahriali povrch grafitu silným optickým laserovým pulzom, ktorý do vzorky poslal nárazovú vlnu a rýchlo ju komprimoval. Svietením jasných a ultra rýchlych röntgenových lúčov LCLS cez zdroj vedci videli, ako šok zmenil atómovú štruktúru grafitu.
„V niektorých grafitových vzorkách sme videli lonsdaleitovú formu za pár miliárd sekúnd za tlaku 200 gigapascalov (2 milióny krát atmosférický tlak na hladine mora),“hovorí hlavný autor Dominik Krautz z nemeckého centra Helmholtz so sídlom v Kalifornii. Univerzita v Berkeley v čase výskumu. „Tieto výsledky jednoznačne podporujú myšlienku, že násilné vplyvy môžu syntetizovať túto formu diamantu, čo nám môže pomôcť pri identifikácii miest dopadu meteoru.“
Obrovské planéty premieňajú vodík na kov
Druhá štúdia, ktorá bola nedávno uverejnená v publikácii Nature Communications, sa zameriava na ďalšiu dôležitú transformáciu, ktorá by sa mohla uskutočniť vnútri obrovských planét plynu, ako je Jupiter, ktorého vnútro je väčšinou kvapalný vodík: pri vysokej teplote a tlaku tento materiál prechádza z „normálneho“, elektricky izolačný stav do kovového, vodivého.
„Pochopenie tohto procesu poskytuje nové podrobnosti o planetárnom formovaní a vývoji slnečnej sústavy,“hovorí Glenzer, ktorý bol tiež jedným z hlavných výskumných pracovníkov tejto práce. „Aj keď sa takýto prechod predpokladal už v 30. rokoch, nikdy sme neotvorili priame okno pre atómové procesy.“
To znamená, že sa neotvorili, kým Glenzer a jeho spolupracovníci nevykonali experiment v Livermore National Laboratory (LLNL), kde použili vysokovýkonný Janusov laser na rýchle stlačenie a zahriatie vzorky tekutého deutéria, ťažkej formy vodíka a vytvorenia záblesku röntgenových lúčov., ktorý odhalil konzistentné štrukturálne zmeny vo vzorke.
Vedci videli, že nad tlakom 250 000 atmosfér a teplotou 7 000 stupňov Fahrenheita sa deutérium mení z neutrálnej izolačnej kvapaliny na ionizovanú kovovú.
„Počítačové simulácie ukazujú, že prechod sa časovo zhoduje so separáciou dvoch atómov, ktoré sú obvykle navzájom spojené v deutérium,“hovorí hlavný autor Paul Davis, postgraduálny študent na Kalifornskej univerzite, Berkeley v čase písania správy. „Tlak a teplota laserom indukovanej rázovej vlny rázne oddeľujú molekuly od seba, ich elektróny sa uvoľnia a môžu viesť elektrinu.“
Okrem planétovej vedy by tento výskum mohol pomôcť aj výskumu zameranému na využívanie deutéria ako jadrového paliva na termonukleárne reakcie.
Ako postaviť vesmírny urýchľovač
Tretím príkladom extrémneho vesmíru, vesmíru „na okraji“, sú neuveriteľne silné urýchľovače kozmických častíc - napríklad blízko supermasívnych čiernych dier - chrliace prúdy ionizovaného plynu, plazmy, stovky tisíc svetelných rokov do vesmíru. Energia obsiahnutá v týchto prúdoch a ich elektromagnetické polia sa môžu premeniť na neuveriteľne energetické častice, ktoré produkujú veľmi krátke, ale intenzívne výbuchy gama lúčov, ktoré sa dajú zistiť na Zemi.
Vedci by chceli vedieť, ako tieto energetické urýchľovače fungujú, pretože to pomôže pochopiť vesmír. Okrem toho by z toho mohli vyplynúť nové nápady na vybudovanie silnejších urýchľovačov. Koniec koncov, zrýchlenie častíc je v centre mnohých základných fyzikálnych experimentov a zdravotníckych pomôcok.
Vedci sa domnievajú, že jednou z hlavných hnacích síl vesmírnych urýchľovačov by mohlo byť „magnetické opätovné spojenie“- proces, pri ktorom sa magnetické siločiary v plazme rozpadajú a znova sa pripájajú iným spôsobom, pričom uvoľňujú magnetickú energiu.
„Magnetické opätovné spojenie bolo v laboratóriu pozorované už predtým, napríklad pri pokusoch o zrážku dvoch plaziem, ktoré boli vytvorené pomocou vysoko výkonných laserov,“hovorí Frederico Fiutsa, vedec divízie High Energy Density Science Division a hlavný riešiteľ teoretickej práce uverejnenej v marci v publikácii Physical Review Letters. … „Žiadny z týchto experimentov s laserom však nepozoroval mimotermálne zrýchlenie častíc - zrýchlenie nesúvisiace s ohrevom plazmy. Naša práca ukazuje, že pri určitom dizajne by to mali vidieť naše experimenty. ““
Jeho tím uskutočnil sériu počítačových simulácií, ktoré predpovedali, ako by sa plazmatické častice mali v takýchto pokusoch správať. Najzávažnejšie výpočty založené na 100 miliárd časticiach vyžadovali viac ako milión hodín CPU a terabajt pamäte superpočítača Mira v národnom laboratóriu Argonne.
„Identifikovali sme kľúčové parametre požadovaných detektorov vrátane rozsahu energie, v ktorom budú fungovať, požadovaného rozlíšenia energie a umiestnenia v experimente,“uviedol hlavný autor Samuel Totorika, postgraduálny študent na Stanfordskej univerzite. „Naše výsledky predstavujú recept na návrh budúcich experimentov, ktoré budú chcieť vedieť, ako častice získavajú energiu z magnetického opätovného spojenia.“