Ερευνητές του SLAC αναδημιουργούν στο εργαστήριο τις ακραίες συνθήκες του σύμπαντος

Οι συνθήκες στο τεράστιο σύμπαν είναι φανερό πως είναι αρκετά ακραίες: Βίαιες συγκρούσεις αυλακώνουν τις επιφάνειες των πλανητών, πυρηνικές αντιδράσεις σε φωτεινά άστρα δημιουργούν τεράστια ποσά ενέργειας, γιγάντιες εκρήξεις εκτοξεύουν ύλη μακριά μέσα στο διάστημα. Αλλά πως ακριβώς εξελίσσονται διαδικασίες όπως αυτές; Τι μπορούν να μας πούνε σχετικά με το σύμπαν; Θα μπορούσε η ισχύς τους να τιθασευτεί προς όφελος του ανθρώπινου είδους; Για να απαντήσουν σε ερωτήματα όπως αυτά, ερευνητές από το Εθνικό Εργαστήριο του Επιταχυντή SLAC, του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, πραγματοποίησαν μια σειρά από εξελιγμένα πειράματα και προσομοιώσεις σε υπολογιστές που αναδημιουργούν τις βίαιες κοσμικές συνθήκες στη μικρή κλίμακα του εργαστηρίου.

Το εργαστήριο αστροφυσικής του SLAC έχει αναπτυχθεί ταχύτατα, τροφοδοτούμενο από ένα αριθμό τεχνολογικών καινοτομιών. Υπάρχουν ήδη λέιζερ πολύ μεγάλης ισχύος για να δημιουργούν ακραίες καταστάσεις της ύλης, εξελιγμένες πηγές ακτίνων-Χ για να αναλυθούν αυτές οι καταστάσεις σε ατομικό επίπεδο και υπερ-υπολογιστές υψηλής ικανότητας επεξεργασίας δεδομένων για να γίνει η επεξεργασία πολύπλοκων προσομοιώσεων που θα βοηθήσουν στην ερμηνεία των πειραμάτων. Με τέτοιο εξοπλισμό το SLAC είναι ένα εξαιρετικά γόνιμο έδαφος για τέτοιου τύπου έρευνες.

Κοσμικοί «πολύτιμοι λίθοι» δείκτες για προσκρούσεις μετεωριτών

Η υψηλή πίεση μπορεί να μετατρέψει μια μαλακή μορφή άνθρακα, τον γραφίτη, σε μια εξαιρετικά σκληρή μορφή του άνθρακα, το διαμάντι. Θα μπορούσε να συμβεί το ίδιο όταν ένας , μετεωρίτης χτυπάει γραφίτη στο έδαφος; Οι επιστήμονες προέβλεψαν ότι θα μπορούσε και ότι αυτές οι προσκρούσεις μπορεί να είναι αρκετά ισχυρές για να παραγάγουν μια μορφή διαμαντιού που ονομάζεται λονσντεϊλίτης (lonsdaleite) [εξαγωνικό διαμάντι, πήρε το όνομά του από το όνομα της διάσημης κρυσταλλογράφου Dame Kathleen Lonsdale (Ντέϊμ Καθλιν Λονσντέϊλ)], που είναι ακόμη σκληρότερο [58%] από το διαμάντι [αν και πιο διαταραγμένη δομικά μορφή].

Η ομάδα των ερευνητών θέρμανε την επιφάνεια του γραφίτη με ένα ισχυρό παλμό λέιζερ που προκάλεσε μια βίαια διαταραχή στο εσωτερικό του δείγματος και ταχύτατα το συμπίεσε. Με χρήση υπερταχέων ακτίνων-Χ επί του δείγματος οι ερευνητές μπόρεσαν να δουν πώς, η διαταραχή, άλλαξε τη ατομική δομή του γραφίτη. Τα αποτελέσματα της έρευνας υποστηρίζουν ισχυρά την άποψη ότι οι βίαιες επιδράσεις μπορούν να συνθέσουν τη μορφή αυτή του διαμαντιού και πως ο εντοπισμός της στο έδαφος θα μπορούσε να συμβάλλει στον προσδιορισμό των περιοχών της πρόσκρουσης μετεωριτών.

Γιγάντιοι πλανήτες μετατροπείς του υδρογόνου σε μέταλλο

Μια δεύτερη μελέτη ερευνά μια άλλη περίεργη μετατροπή που μπορεί να λαμβάνει χώρα στο εσωτερικό γιγάντιων αερίων πλανητών, όπως ο Δίας, το εσωτερικό του οποίου αποτελείται σε μεγάλο βαθμό από υγρό υδρογόνο. Σε υψηλή πίεση και θερμοκρασία το υλικό αυτό θεωρείται ότι αλλάζει από την «κανονική», ηλεκτρικώς μονωτική, κατάσταση σε αγώγιμη μεταλλική. Παρόλο που η μετάβαση αυτή προβλέφτηκε ήδη από την δεκαετία του 1930 δεν έχει παρατηρηθεί άμεσα σε ατομικές διεργασίες.

Οι ερευνητές που εργάστηκαν με δευτέριο, μια «βαριά» μορφή υδρογόνου, διαπίστωσαν ότι με πίεση πάνω από 250 000 ατμόσφαιρες και θερμοκρασία 7 000 βαθμούς Φαρενάιτ, το δευτέριο πράγματι αλλάζει από έναν ουδέτερο ρευστό μονωτή σε ένα μεταλλικό ιονισμένο υλικό. Προσομοιώσεις υπολογιστών δείχνουν ότι οι μετάβαση συμπίπτει με τον χωρισμό των δυο ατόμων που κανονικά συνδέονται μαζί στα μόρια δευτέριου. Φαίνεται ότι καθώς η πίεση και η θερμοκρασία που επάγεται από το λέιζερ χωρίζει τα μόρια, τα ηλεκτρόνιά τους γίνονται αδέσμευτα και είναι ικανά να άγουν τον ηλεκτρισμό. Η έρευνα, επιπροσθέτως με την πλανητική επιστήμη, θα μπορούσε επίσης να παρέχει πληροφορίες για τη χρήση του δευτέριου ως πυρηνικό καύσιμο για αντιδράσεις σύντηξης, που αναπαράγουν ανάλογες διαδικασίες που συμβαίνουν στο εσωτερικό του ήλιου και των άλλων άστρων.

Πώς να δημιουργηθεί ένας κοσμικός επιταχυντής

Σε ένα τρίτο παράδειγμα του ακραίου σύμπαντος, τρομερά ισχυροί κοσμικοί επιταχυντές σωματιδίων – για παράδειγμα κοντά σε μαύρες τρύπες – προωθούν ρεύματα ιονισμένου αερίου [πλάσμα] εκατοντάδες χιλιάδες έτη φωτός στο διάστημα. Η ενέργεια που αποθηκεύεται σε αυτά τα ρεύματα και στα ηλεκτρομαγνητικά τους πεδία μπορεί να μετατραπεί σε λίγα εξαιρετικά ενεργητικά σωμάτια, που παράγουν σύντομες αλλά εξαιρετικά έντονες εκρήξεις ακτίνων-γ που μπορούν να ανιχνευτούν στη Γη.

Οι ερευνητές πιστεύουν ότι μια από τις δυνάμεις που κρύβονται πίσω από τους κοσμικούς επιταχυντές θα μπορούσε να είναι η «μαγνητική επανασύνδεση», μια διαδικασία κατά την οποία οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου στο πλάσμα σπάζουν και επανασυνδέονται με διαφορετικό τρόπο απελευθερώνοντας μαγνητική ενέργεια. Η μαγνητική επανασύνδεση έχει παρατηρηθεί στο εργαστήριο σε πειράματα με δυο συγκρουόμενα μέρη πλάσματος, κάτι που προκαλείται με ισχυρά λέιζερ. Η ερευνητική ομάδα που ασχολείται με την προσπάθεια αξιοποίησης της γνώσης των διαδικασιών στους κοσμικούς επιταχυντές, χρησιμοποίησε ένα αριθμό από προσομοιώσεις υπολογιστών που πρόβλεψαν πώς θα μπορούσαν να συμπεριφερθούν τα σωμάτια πλάσματος σε τέτοια πειράματα. Τα αποτελέσματα των ερευνών της ομάδας είναι οδηγοί για τον κατάλληλο σχεδιασμό των μελλοντικών πειραμάτων που αναζητούν να μελετήσουν πώς τα σωμάτια κερδίζουν ενέργεια μέσω της μαγνητικής επανασύνδεσης.

Οι προσκρούσεις μετεωριτών, η πλανητική επιστήμη και οι κοσμικοί επιταχυντές είναι μόνο τρεις από ένα μεγάλο αριθμό ενοτήτων που θα συζητηθούν στο 11ο Διεθνές Συνέδριο Εργαστηριακής Αστροφυσικής Υψηλής Ενεργειακής Πυκνότητας που θα γίνει 16 με 20 Μαΐου στο SLAC.

Πηγή: SLAC National Accelerator Laboratory

Περισσότερα στις μελέτες:

1. Nanosecond formation of diamond and lonsdaleite by shock compression of graphite, Nature Communications
2. X-ray scattering measurements of dissociation-induced metallization of dynamically compressed deuterium, Nature Communications
3. Nonthermal Electron Energization from Magnetic Reconnection in Laser-Driven Plasmas, Physical Review Letters

egno

Η ΑΠΟΚΑΛΥΨΗ ΤΟΥ ΕΝΑΤΟΥ ΚΥΜΑΤΟΣ