Korzystając z nowatorskiej metody laserowej, naukowcy naśladowali ekstremalne środowiska gwiazd i planet, pogłębiając naszą wiedzę na temat zjawisk astrofizycznych i wspierając badania nad syntezą jądrową.
Wewnątrz gwiazd i planet panują ekstremalne warunki. Ciśnienie sięga milionów barów, a temperatura może sięgać kilku milionów stopni. Wyrafinowane metody pozwalają na wytworzenie takich stanów materii w laboratorium – choć tylko na mgnienie oka i w niewielkiej objętości. Jak dotąd wymagało to najpotężniejszych laserów na świecie, takich jak National Ignition Facility (NIF) w Kalifornii. Jednak takich lekkich olbrzymów jest tylko kilka, a możliwości przeprowadzania eksperymentów są odpowiednio rzadkie.
Zespół badawczy kierowany przez Helmholtz-Zentrum Drezno-Rossendorf (HZDR), wraz z kolegami z European XFEL, udało się obecnie stworzyć i obserwować ekstremalne warunki za pomocą znacznie mniejszego lasera. Jak podaje grupa w czasopiśmie, sercem nowej technologii jest drut miedziany, cieńszy od ludzkiego włosa Komunikacja przyrodnicza.
Odkrywanie ekstremalnych warunków w laboratorium
Jak dotąd eksperci strzelali niezwykle wysokoenergetycznymi błyskami lasera do próbki materiału, zwykle cienkiej folii. Powoduje to nagłe nagrzewanie się materiału na powierzchni. Tworzy to falę uderzeniową, która przepływa przez próbkę. Ściska materiał i podgrzewa go. Przez kilka nanosekund panują warunki podobne do tych we wnętrzu planety lub w powłoce gwiazdy. Malutkie okno czasowe wystarczy do zbadania zjawiska przy użyciu specjalnych technik pomiarowych, takich jak ultrasilne błyski rentgenowskie europejskiego teleskopu XFEL w Schenefeld koło Hamburga w Niemczech.
Postęp w technikach pomiarów rentgenowskich
Tutaj, przy najpotężniejszym laserze rentgenowskim w Europie, HZDR przewodzi międzynarodowemu konsorcjum użytkowników o nazwie HIBEF – Helmholtz International Beamline for Extreme Fields. Konsorcjum to obsługuje między innymi laser na stacji doświadczalnej High Energy Density (HED-HIBEF), który generuje ultrakrótkie impulsy, które nie mają szczególnie wysokiej energii – tylko około jednego dżula. Jednak przy 30 femtosekundach są one tak krótkie, że osiągają moc wyjściową 100 terawatów. Zespół badawczy użył tego lasera w ośrodku HED-HIBEF do wystrzelenia cienkiego drutu miedzianego o grubości zaledwie 25 mikrometrów
„Następnie mogliśmy wykorzystać silne błyski rentgenowskie z European XFEL do obserwacji, co dzieje się wewnątrz drutu” – wyjaśnia dr Alejandro Laso Garcia, główny autor artykułu. „To połączenie lasera krótkoimpulsowego i lasera rentgenowskiego jest unikalne na skalę światową. Dopiero dzięki wysokiej jakości i czułości wiązki promieniowania rentgenowskiego mogliśmy zaobserwować nieoczekiwany efekt.”
Fale uderzeniowe i stany o dużej gęstości
W kilku seriach pomiarów naukowcy systematycznie zmieniali odstęp czasu między uderzeniem błysku lasera a prześwitem promieni rentgenowskich. Umożliwiło to nagranie szczegółowego „filmu rentgenowskiego” zdarzenia: „Najpierw impuls lasera oddziałuje z drutem i generuje lokalną falę uderzeniową, która przechodzi przez drut niczym detonacja i ostatecznie go niszczy” – wyjaśnia HIBEF kierownik wydziału dr Toma Toncian. „Ale wcześniej część wysokoenergetycznych elektronów powstałych w wyniku uderzenia lasera ściga się po powierzchni drutu”. Te szybkie elektrony szybko nagrzewają powierzchnię drutu i generują dalsze fale uderzeniowe. Następnie biegną one kolejno ze wszystkich stron do środka drutu. Przez krótką chwilę wszystkie fale uderzeniowe zderzają się tam i wytwarzają niezwykle wysokie ciśnienia i temperatury.
Pomiary wykazały, że gęstość miedzi w środku drutu była przez krótki czas od ośmiu do dziewięciu razy większa niż w „normalnej”, zimnej miedzi. „Nasze symulacje komputerowe sugerują, że osiągnęliśmy ciśnienie 800 megabarów” – mówi prof. Thomas Cowan, dyrektor Instytutu Fizyki Promieniowania HZDR i inicjator konsorcjum HIBEF. „Odpowiada to 800 milionom ciśnienia atmosferycznego i 200 razy większemu ciśnieniu panującemu wewnątrz ziemi”. Osiągnięta temperatura była również ogromna jak na standardy ziemskie: 100 000 stopni Celsjusz (180 000 stopni Fahrenheita).
Przyszłe zastosowania w syntezie jądrowej i astrofizyce
Są to warunki zbliżone do tych panujących w koronie a biały karzeł gwiazda. „Naszą metodę można również zastosować do osiągnięcia warunków podobnych do tych we wnętrzach ogromnych planet gazowych” – podkreśla Laso Garcia. Dotyczy to nie tylko znanych gigantów, takich jak Jupiterale także dużą liczbę odległych egzoplanet odkrytych w ciągu ostatnich kilku lat. Zespół badawczy skupił się obecnie także na drutach wykonanych z innych materiałów, takich jak żelazo i plastik. „Plastik składa się głównie z wodoru i węgla” – mówi Toncian. „Obydwa pierwiastki znajdują się w gwiazdach i ich koronie”.
Nowa metoda pomiaru powinna przydać się nie tylko w astrofizyce, ale także w innej dziedzinie badań. „Nasz eksperyment pokazuje w imponujący sposób, jak możemy wygenerować bardzo wysokie gęstości i temperatury w szerokiej gamie materiałów”, mówi Ulf Zastrau, który kieruje grupą HED w European XFEL. „Dzięki temu badania nad syntezą termojądrową posuną się o ważny krok dalej”. Kilka zespołów badawczych i start-upów na całym świecie pracuje obecnie nad elektrownią termojądrową opartą na wysokowydajnych laserach.
Zasada: Silne błyski lasera uderzają ze wszystkich stron w kapsułę paliwową wykonaną z zamarzniętego wodoru i ją zapalają, wydzielając więcej energii, niż włożono. „Dzięki naszej metodzie mogliśmy szczegółowo obserwować, co dzieje się wewnątrz kapsuły po uderzeniu przez impulsy lasera” – mówi Cowan, opisując przyszłe eksperymenty. „Oczekujemy, że może to mieć ogromny wpływ na badania podstawowe w tej dziedzinie”.
Odniesienie: „Cylindryczne ściskanie cienkich drutów poprzez napromienianie laserem krótkoimpulsowym klasy Joule’a” autorstwa Alejandro Laso Garcia, Long Yang, Victorien Bouffetier, Karen Appel, Carsten Baehtz, Johannes Hagemann, Hauke Höppner, Oliver Humphries, Thomas Kluge, Mikhail Mishchenko, Motoaki Nakatsutsumi, Alexander Pelka, Thomas R. Preston, Lisa Randolph, Ulf Zastrau, Thomas E. Cowan, Lingen Huang i Toma Toncian, 12 września 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-52232-6
