Fizycy poczynili znaczne postępy w zrozumieniu ciepłej, gęstej materii za pomocą europejskiego teleskopu XFEL, obserwując jej transformację pod wpływem intensywnych impulsów promieniowania rentgenowskiego.
Właściwości ciepłej, gęstej materii były do niedawna mało znane. Teraz, dzięki zastosowaniu laserów rentgenowskich, fizycy zdobywają coraz więcej informacji na temat tego ważnego, choć wciąż tajemniczego stanu materii. Pierwsze kompleksowe obserwacje procesów jonizacji w ciepłej, gęstej materii, przeprowadzone na europejskim rentgenowskim laserze na swobodnych elektronach (European XFEL), zostały właśnie zaprezentowane w jednym z najbardziej prestiżowych czasopism fizycznych.
Wyzwanie badania ciepłej, gęstej materii
We wnętrzach brązowych karłów czy planet gazowych występuje m.in. tajemniczy stan materii o temperaturze kilku tysięcy stopni i dużej gęstości zbliżonej do ciała stałego. Chociaż jest powszechny we Wszechświecie, bardzo trudno jest go wyprodukować i przeanalizować w laboratorium.
Nowa era w badaniach eksperymentalnych tego tzw. stanu ciepłej gęstej materii (WDM) rozpoczęła się zaledwie kilkanaście lat temu, kiedy fizycy uruchomili pierwsze lasery rentgenowskie na swobodnych elektronach. Na czele tego typu urządzeń znajduje się europejski laser XFEL o długości 3,4 km (2,1 mili).
Seria niedawno przeprowadzonych tam eksperymentów pozwoliła po raz pierwszy zaobserwować, jak szybko metal przechodzi w egzotyczny stan zjonizowanego WDM, aby na koniec procesu stać się przezroczystym (nieabsorbującym) promieni rentgenowskich. O osiągnięciach międzynarodowego zespołu naukowców – w tym z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN (IFJ PAN) w Krakowie – piszemy w artykule opublikowanym w czasopiśmie Fizyka Przyrody.
Szczegółowe wnioski z europejskich eksperymentów XFEL
Lasery rentgenowskie na swobodnych elektronach (XFEL) służą do generowania impulsów promieniowania rentgenowskiego o dużej intensywności trwających pojedyncze femtosekundy, tj. milionowe części miliardowej sekundy. Można je wykorzystać do badania struktury materii w skalach długości atomowej i śledzenia zjawisk w niezwykle krótkich skalach czasowych. Jednym z zaledwie kilkunastu takich urządzeń na świecie jest europejski XFEL w Hamburgu, zbudowany we współpracy z DESY ośrodek badawczy.
„W naszym eksperymencie w European XFEL naświetlaliśmy próbki miedzi impulsami rentgenowskimi trwającymi 15 femtosekund, stosując różne, stopniowo rosnące intensywności” – przedstawia eksperyment prof. Beata Ziaja-Motyka (IFJ PAN, DESY).
Pierwszy autor omawianej pracy, dr Laurent Mercadier z European XFEL, dodaje kilka szczegółów fizycznych: „Kiedy pojedynczy impuls lasera rentgenowskiego dotarł do materiału, spowodował silną jonizację. Uwolnione w procesie elektrony charakteryzowały się wysokimi temperaturami. W tych ekstremalnych warunkach miedź przeszła w stan ciepłej, gęstej materii. Skrupulatnie rejestrowaliśmy, ile promieniowania przeszło przez materię i na tej podstawie wywnioskowaliśmy zmiany jonizacji w obserwowanym układzie.”
Symulacje i przełomowe eksperymenty
Szczególnie pomocne w interpretacji wyników pomiarów były symulacje przeprowadzone z wykorzystaniem oprogramowania BOLTZMANN SOLVER, rozwijanego od 2004 roku w DESY przez prof. Ziaję-Motykę. Narzędzie to posłużyło do symulacji zmian zajętości elektronów poszczególnych poziomów energii w WDM w zależności od natężenia padającego promieniowania laserowego.
Konfrontując dane eksperymentalne z symulacjami ustalono, że gdy natężenie promieniowania rentgenowskiego stanie się odpowiednio wysokie, atomy WDM ulegają silnej jonizacji. W wyniku tego zjawiska pojawiają się nowe poziomy energii, które mogą zostać zajęte przez wzbudzone elektrony, co powoduje, że WDM jest nieprzezroczysty dla fotonów rezonansowych przy przejściach na te nowe poziomy energetyczne. Stany te obserwowano już wcześniej za pomocą laserów optycznych, jednak ograniczenia energetyczne laserów nie pozwoliły na ich bardziej szczegółowe badanie.
Obecnie, dzięki europejskiemu laserowi rentgenowskiemu XFEL, możliwe jest ich dokładne scharakteryzowanie także w odpowiedzi na różne natężenia impulsów rentgenowskich. Zgodnie z teoretycznymi przewidywaniami widm absorpcji promieniowania rentgenowskiego, przygotowanymi przez dr Joshuę Kasa (Uniwersytet WaszyngtońskiUSA) i dr Andrei Benediktovitch (DESY, Hamburg) zaobserwowali dalej, że wraz ze wzrostem intensywności lasera ciepła, gęsta materia staje się najpierw nieprzezroczysta, a następnie – przy najwyższych intensywnościach – przezroczysta dla impulsu laserowego.
„Pojawienie się „przezroczystości” – czyli braku absorpcji – w WDM jest konsekwencją wysokiej jonizacji atomów WDM występującej przy wystarczająco wysokich natężeniach impulsów rentgenowskich. Energia fotonów rentgenowskich dostępnych w eksperymencie staje się wówczas zbyt mała, aby wzbudzić dalsze elektrony. W rezultacie fotony te w ogóle nie mogą zostać zaabsorbowane przez ciepłą, gęstą materię” – wyjaśnia prof. Ziaja-Motyka.
Przyszłe kierunki i praktyczne zastosowania
Znajomość właściwości ciepłej, gęstej materii i procesów w niej zachodzących ma znaczenie nie tylko astrofizyczne, ale także praktyczne, inżynieryjne. Materia w tym stanie odgrywa ważną rolę w niektórych rodzajach kontrolowanej syntezy jądrowej (ICF – Inertial Confinement Fusion), a także pojawia się podczas ablacji metalowych osłon cieplnych statków kosmicznych powracających z orbity na Ziemię.
Zespół fizyków europejskiego lasera rentgenowskiego XFEL pod kierownictwem prof. Niny Rohringer (DESY, Universität Hamburg) zamierza kontynuować badania nad procesami elektronowymi i jonizacyjnymi zachodzącymi w WDM oraz ich dynamiką. Ze strony polskiej prace są współfinansowane przez Instytut Fizyki Jądrowej PAN.
Odniesienie: „Przejściowa absorpcja ciepłej, gęstej materii wytworzonej przez rentgenowski laser na swobodnych elektronach”: Laurent Mercadier, Andrei Benediktovitch, Špela Krušič, Joshua J. Kas, Justine Schlappa, Marcus Agåker, Robert Carley, Giuseppe Fazio, Natalia Gerasimova, Young Yong Kim, Loïc Le Guyader, Giuseppe Mercurio, Sergii Parchenko, John J. Rehr, Jan-Erik Rubensson, Svitozar Serkez, Michal Stransky, Martin Teichmann, Zhong Yin, Matjaž Žitnik, Andreas Scherz, Beata Ziaja i Nina Rohringer, 29 lipca 2024, Fizyka Przyrody.
DOI: 10.1038/s41567-024-02587-w
