Forholdene i vårt enorme univers kan være veldig forskjellige. De voldelige fallene fra himmellegemer etterlater arr på overflaten av planetene. Atomreaksjoner i hjertene til stjerner genererer enorme mengder energi. Kjempeeksplosjoner vil katapultere saken langt ut i verdensrommet. Men hvordan foregår prosesser som disse? Hva forteller de oss om universet? Kan deres makt brukes til fordel for menneskeheten?
For å finne ut av dette har forskere ved SLAC National Accelerator Laboratory gjennomført sofistikerte eksperimenter og datasimuleringer som gjenskaper de tøffe plassforholdene på laboratoriets mikroskala.
"Feltet for astrofysikk i laboratoriet vokser raskt og er drevet av en rekke teknologiske gjennombrudd," sier Siegfried Glenzer, leder for divisjon med høy energitetthet ved SLAC. "Vi har nå kraftige lasere for å lage ekstreme materietilstander, avanserte røntgenkilder for å analysere disse tilstandene på atomnivå, og høyeffektive superdatamaskiner for komplekse simuleringer som veileder og hjelper til med å forklare eksperimentene våre. Med enorme muligheter i disse områdene, er SLAC i ferd med å bli et spesielt fruktbart grunnlag for denne typen forskning.”
Tre nyere studier som belyser denne tilnærmingen involverer meteorangrep, gigantiske planetkjerner og kosmiske partikkelakseleratorer som er millioner ganger kraftigere enn Large Hadron Collider, den største partikkelakseleratoren på jorden.
Kosmiske "pyntegjenstander" indikerer meteorer
Det er kjent at høyt trykk kan transformere den myke formen av karbon - grafitt, som brukes som bly - til en ekstremt tung form av karbon, diamant. Kan dette skje hvis en meteor treffer grafitt på bakken? Forskere tror de kan, og at disse fallene faktisk kan være kraftige nok til å produsere det de kaller lonsdaleite, en spesiell form for diamant som er enda sterkere enn en vanlig diamant.
"Eksistensen av lonsdaleite har vært omstridt, men nå har vi funnet overbevisende bevis for dette," sier Glenzer, hovedetterforsker av papiret, publisert i mars i Nature Communications.
Salgsfremmende video:
Forskerne varmet opp overflaten av grafitten med en kraftig optisk laserpuls, som sendte en sjokkbølge inn i prøven og komprimerte den raskt. Ved å skinne lyse, ultra raske LCLS røntgenbilder gjennom kilden, kunne forskerne se hvordan sjokket forandret atomstrukturen i grafitten.
"Vi så lonsdaleittform i noen grafittprøver i noen få milliarddeler av et sekund og ved 200 gigapascals (2 millioner ganger atmosfæretrykket ved havnivå)," sier hovedforfatter Dominik Krautz ved det tyske Helmholtz Center, som jobbet i California. Universitetet i Berkeley på forskningstidspunktet. "Disse resultatene støtter sterkt tanken om at voldelige påvirkninger kan syntetisere denne formen for diamant, og dette kan igjen hjelpe oss med å identifisere meteorpåvirkningssteder."
Kjempeplaneter gjør hydrogen til metall
En annen studie, som nylig ble publisert i Nature Communications, ser på en annen viktig transformasjon som kunne ha funnet sted inne i gigantiske gassplaneter som Jupiter, hvis indre er stort sett flytende hydrogen: ved høy temperatur og trykk skifter dette materialet seg fra "normalt", elektrisk isolerende tilstand til metallisk, ledende.
"Å forstå denne prosessen gir nye detaljer om planetarisk dannelse og utviklingen av solsystemet," sier Glenzer, som også var en av de viktigste etterforskerne av arbeidet. "Selv om en slik overgang allerede var forutsagt på 1930-tallet, åpnet vi aldri et direkte vindu til atomprosesser."
Det vil si at de ikke åpnet før Glenzer og hans medforskere gjennomførte et eksperiment ved Livermore National Laboratory (LLNL), der de brukte en Janus-laser med kraftig kraft for å raskt komprimere og varme opp en prøve med flytende deuterium, en tung form for hydrogen, og skape et glimt av røntgenstråler., som avslørte konsistente strukturelle endringer i utvalget.
Forskere har sett at over et trykk på 250.000 atmosfærer og en temperatur på 7.000 grader Fahrenheit, endrer deuterium seg fra en nøytral isolerende væske til en ionisert metallisk væske.
"Datasimuleringer viser at overgangen sammenfaller med separasjonen av to atomer, vanligvis bundet sammen i deuteriummolekyler," sier hovedforfatter Paul Davis, en doktorgradsstudent ved University of California, Berkeley i skrivende stund. "Tilsynelatende, trykket og temperaturen til den laserinduserte sjokkbølgen skiver molekylene fra hverandre, elektronene deres blir ubundne og kan lede strøm."
I tillegg til planetarisk vitenskap, kan denne forskningen også hjelpe forskning som tar sikte på å bruke deuterium som kjernebrensel for termonukleære reaksjoner.
Hvordan bygge en romakselerator
Det tredje eksemplet på et ekstremt univers, et univers "på randen", er utrolig kraftige rompartikkelakseleratorer - i nærheten av supermassive sorte hull, for eksempel - å spre strømmer av ionisert gass, plasma, hundretusenvis av lysår ut i verdensrommet. Energien i disse strømningene og deres elektromagnetiske felt kan omdannes til utrolig energiske partikler som produserer veldig korte, men intense utbrudd av gammastråler som kan oppdages på jorden.
Forskere vil gjerne vite hvordan disse energiakseleratorene fungerer, da det vil bidra til å forstå universet. I tillegg kunne friske ideer for å bygge kraftigere akseleratorer trekkes ut av dette. Tross alt er partikkelakselerasjon kjernen i mange grunnleggende fysiske eksperimenter og medisinsk utstyr.
Forskere mener at en av de viktigste drivkreftene bak romakseleratorer kan være "magnetisk tilkobling" - en prosess der magnetfeltlinjer i et plasma brytes opp og kobles på nytt på en annen måte, og frigjør magnetisk energi.
"Magnetisk tilkobling har tidligere blitt observert på laboratoriet, for eksempel i eksperimenter med kollisjon av to plasmaer som ble opprettet ved hjelp av lasere med høy effekt," sier Frederico Fiutsa, forsker ved High Energy Density Science Division og hovedetterforsker av det teoretiske papiret som ble publisert i mars i Physical Review Letters. … “Ikke desto mindre har ingen av disse lasereksperimentene observert nonthermal akselerasjon av partikler - akselerasjon som ikke er assosiert med plasmaoppvarming. Arbeidet vårt viser at eksperimentene våre bør se det med en viss design."
Teamet hans kjørte en serie datasimuleringer som spådde hvordan plasmapartikler skulle oppføre seg i slike eksperimenter. De mest alvorlige beregningene, basert på 100 milliarder partikler, krevde over en million CPU-timer og over en terabyte minne på Mira-superdatamaskinen på Argonne National Laboratory.
"Vi har identifisert nøkkelparametere for de nødvendige detektorene, inkludert energiområdet de skal operere i, den nødvendige energiresolusjonen og plasseringen i eksperimentet," sa hovedforfatter Samuel Totorika, en doktorgradsstudent ved Stanford University. "Resultatene våre representerer en oppskrift for å designe fremtidige eksperimenter som vil vite hvordan partikler får energi fra magnetisk tilkobling."
