Wetenschappers voerden laboratoriumexperimenten uit in het National Ignition Laboratory van het Lawrence Livermore National Laboratory, die de extreme compressies creëerden die nodig zijn voor ionisatie onder druk. Hun onderzoek levert nieuwe inzichten op in de atoomfysica bij gigabardruk, wat de astrofysica en het kernfusieonderzoek ten goede komt. Krediet: Grafische illustratie door Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory. inzet van Jan Vorberger/Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
Wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory hebben met succes ‘s werelds krachtigste laser gebruikt om drukgestuurde ionisatie te simuleren en te bestuderen, een proces dat van vitaal belang is voor het begrijpen van de structuur van planeten en sterren. Het onderzoek onthulde onverwachte eigenschappen van sterk gecomprimeerde materie en heeft belangrijke implicaties voor zowel astrofysica als kernfusieonderzoek.
Wetenschappers voerden laboratoriumexperimenten uit in het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) die nieuwe inzichten verschaffen in het complexe proces van drukgeïnduceerde ionisatie in gigantische planeten en sterren. Hun onderzoek, gepubliceerd op 24 mei in Natuuronthult materiaaleigenschappen en het gedrag van materie onder extreme compressie, wat belangrijke implicaties biedt voor astrofysica en onderzoek naar kernfusie.
“Als je de omstandigheden kunt nabootsen die in een stellair object voorkomen, dan kun je echt leren wat er binnenin gebeurt”, zegt medewerker Siegfried Glenzer, directeur van de High Energy Density Division van het SLAC National Accelerator Laboratory van de Energy Department. “Het is alsof je een thermometer in de ster stopt en meet hoe heet het is en wat die omstandigheden doen met de atomen in het materiaal. Het kan ons nieuwe manieren leren om materie te manipuleren voor fusie-energiebronnen.”
Het internationale onderzoeksteam gebruikte ‘s werelds grootste en meest energieke laser, de National Ignition Facility (NIF), om de extreme omstandigheden te creëren die nodig zijn voor ionisatie onder druk. Met behulp van 184 laserstralen verwarmde het team de binnenkant van een holte, waarbij de laserenergie werd omgezet in röntgenstralen die een in het midden geplaatste berylliumschaal met een diameter van 2 mm verwarmden. Terwijl de buitenkant van de schaal snel uitbreidde als gevolg van verwarming, versnelde de binnenkant naar binnen, bereikte temperaturen van ongeveer twee miljoen kelvin en drukken tot drie miljard atmosfeer, en creëerde een klein stukje materie, zoals gevonden in dwergsterren, gedurende een paar uur. nanoseconden in het laboratorium.
Het sterk gecomprimeerde monster van beryllium, tot 30 keer de omringende vaste dichtheid, werd onderzocht met behulp van Thomson-röntgenverstrooiing om de dichtheid, temperatuur en elektronenstructuur af te leiden. De bevindingen onthulden dat, na intense verhitting en compressie, ten minste drie van de vier elektronen in beryllium werden omgezet in geleidende toestanden. Bovendien onthulde de studie onverwacht zwakke elastische verstrooiing, wat wijst op verminderde lokalisatie van het resterende elektron.
De materie in de gigantische planeten en sommige relatief koele sterren wordt sterk samengedrukt door het gewicht van de lagen erboven. Bij zulke hoge drukken, gecreëerd door hoge compressie, leidt de nabijheid van atoomkernen tot interacties tussen elektronisch gebonden toestanden van naburige ionen en uiteindelijk tot hun volledige ionisatie. Terwijl ionisatie in hete sterren voornamelijk wordt aangedreven door temperatuur, domineert drukgestuurde ionisatie in koelere objecten.
Ondanks het belang ervan voor de structuur en evolutie van hemellichamen, wordt drukionisatie als een pad naar sterk geïoniseerde materie theoretisch niet goed begrepen. Bovendien zijn de vereiste extreme toestanden van materie erg moeilijk te creëren en te bestuderen in het laboratorium, zei LLNL-natuurkundige Tilo Döppner, die het project leidde.
“Door extreme omstandigheden na te bootsen die vergelijkbaar zijn met die in gigantische planeten en sterren, waren we in staat veranderingen in materiaaleigenschappen en elektronenstructuur waar te nemen die niet worden vastgelegd door de huidige modellen, ” zei Döppner. “Ons werk opent nieuwe wegen voor het bestuderen en modelleren van het gedrag van materie onder extreme compressie. Ionisatie in dichte plasma’s is een sleutelparameter omdat het de toestandsvergelijking, thermodynamische eigenschappen en stralingstransport door opaciteit beïnvloedt.”
Het onderzoek heeft ook belangrijke implicaties voor traagheidsfusie-experimenten op het NIF, waar röntgenabsorptie en samendrukbaarheid sleutelparameters zijn voor het optimaliseren van fusie-experimenten met hoge doorvoer. Een uitgebreid begrip van door druk en temperatuur aangedreven ionisatie is essentieel voor het modelleren van gecomprimeerde materialen en uiteindelijk voor het ontwikkelen van een overvloedige koolstofvrije energiebron door middel van laserkernfusie, zei Döppner.
“De unieke mogelijkheden van de National Ignition Facility zijn ongeëvenaard. Er is maar één plek op aarde waar we de extreme compressies van planetaire kernen en stellaire interieurs in het laboratorium kunnen creëren, bestuderen en observeren, en dat is bij de grootste en meest energetische laser ter wereld, “zei Bruce Remington, NIF programma Ontdekkingswetenschap. leider. “Voortbouwend op de basis van eerder onderzoek bij NIF, verlegt dit werk de grenzen van laboratoriumastrofysica.”
Citaat: “Het observeren van de initiatie van door druk aangedreven K-shell-migratie” door T. Döppner, M. Bethkenhagen, D. Kraus, P. Neumayer, DA Chapman, B. Bachmann, RA Baggott, MP Böhme, L. Divol, RW Falcone, LB Fletcher, OL Landen, MJ MacDonald, AM Saunders, M. Schörner, PA Sterne, J. Vorberger, BBL Witte, A. Yi, R. Redmer, SH Glenzer en DO Gericke, 24 mei 2023; Natuur.
DOI: 10.1038/s41586-023-05996-8
Onder leiding van Döppner bestond het LLNL-onderzoeksteam uit co-auteurs Benjamin Bachmann, Laurent Divol, Otto Landen, Michael MacDonald, Alison Saunders en Phil Sterne.
Het baanbrekende onderzoek was het resultaat van een internationale samenwerking om Thomson-röntgenverstrooiing bij NIF te ontwikkelen als onderdeel van het Discovery Science-programma van LLNL. Medewerkers zijn onder meer wetenschappers van SLAC National Accelerator Laboratory, University of California Berkeley, University of Rostock (Duitsland),[{” attribute=””>University of Warwick (U.K.), GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research (Germany),
