Die Bedingungen in unserem riesigen Universum können sehr unterschiedlich sein. Die heftigen Stürze von Himmelskörpern hinterlassen Narben auf der Oberfläche von Planeten. Kernreaktionen in den Herzen von Sternen erzeugen enorme Mengen an Energie. Riesenexplosionen katapultieren Materie weit in den Weltraum. Aber wie genau laufen solche Prozesse ab? Was erzählen sie uns über das Universum? Kann ihre Macht zum Wohle der Menschheit eingesetzt werden?
Um dies herauszufinden, haben Wissenschaftler des SLAC National Accelerator Laboratory ausgefeilte Experimente und Computersimulationen durchgeführt, die die rauen Raumbedingungen im Mikromaßstab des Labors nachbilden.
„Das Gebiet der Laborastrophysik wächst rasant und wird durch eine Reihe von technologischen Durchbrüchen angetrieben“, sagt Siegfried Glenzer, Leiter der Abteilung für Wissenschaft mit hoher Energiedichte bei SLAC. „Wir haben jetzt leistungsstarke Laser zur Erzeugung extremer Materiezustände, fortschrittliche Röntgenquellen zur Analyse dieser Zustände auf atomarer Ebene und Hochleistungs-Supercomputer für komplexe Simulationen, die unsere Experimente leiten und erklären. Mit enormen Möglichkeiten in diesen Bereichen wird SLAC zu einem besonders fruchtbaren Boden für diese Art von Forschung. “
Drei kürzlich durchgeführte Studien, die diesen Ansatz hervorheben, betreffen Meteoriteneinschläge, riesige Planetenkerne und kosmische Teilchenbeschleuniger, die millionenfach leistungsstärker sind als der Large Hadron Collider, der größte Teilchenbeschleuniger der Erde.
Kosmische "Schmuckstücke" zeigen Meteore an
Es ist bekannt, dass Hochdruck die weiche Form von Kohlenstoff - Graphit, der als Blei verwendet wird - in eine extrem schwere Form von Kohlenstoff, Diamant, umwandeln kann. Könnte dies passieren, wenn ein Meteor Graphit auf den Boden trifft? Wissenschaftler glauben, dass sie es können und dass diese Stürze tatsächlich stark genug sein könnten, um das zu produzieren, was sie Lonsdaleite nennen, eine spezielle Form von Diamant, die noch stärker ist als ein normaler Diamant.
"Die Existenz von Lonsdaleit ist umstritten, aber jetzt haben wir überzeugende Beweise dafür gefunden", sagt Glenzer, Hauptforscher des Papiers, das im März in Nature Communications veröffentlicht wurde.
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Die Wissenschaftler erwärmten die Oberfläche des Graphits mit einem starken optischen Laserpuls, der eine Stoßwelle in die Probe sandte und diese schnell komprimierte. Indem die Wissenschaftler helle, ultraschnelle LCLS-Röntgenstrahlen durch die Quelle strahlten, konnten sie sehen, wie der Schock die Atomstruktur des Graphits veränderte.
„Wir haben in einigen Graphitproben in wenigen Milliardstel Sekunden und bei einem Druck von 200 Gigapascal (2 Millionen Mal dem atmosphärischen Druck auf Meereshöhe) die Bildung von Lonsdaleit gesehen“, sagt der Hauptautor Dominik Krautz vom deutschen Helmholtz-Zentrum in Kalifornien. Universität in Berkeley zum Zeitpunkt der Forschung. "Diese Ergebnisse stützen nachdrücklich die Idee, dass gewaltsame Einschläge diese Form von Diamant synthetisieren können, und dies kann uns wiederum dabei helfen, Meteoriteneinschlagstellen zu identifizieren."
Riesenplaneten verwandeln Wasserstoff in Metall
Die zweite Studie, die kürzlich in Nature Communications veröffentlicht wurde, befasst sich mit einer weiteren wichtigen Transformation, die in riesigen Gasplaneten wie Jupiter hätte stattfinden können, deren Inneres hauptsächlich aus flüssigem Wasserstoff besteht: Bei hoher Temperatur und hohem Druck verschiebt sich dieses Material von "normal". elektrisch isolierender Zustand in metallisch, leitend.
„Das Verständnis dieses Prozesses liefert neue Details zur Planetenbildung und zur Entwicklung des Sonnensystems“, sagt Glenzer, der auch einer der Hauptforscher der Arbeit war. "Obwohl ein solcher Übergang bereits in den 1930er Jahren vorhergesagt wurde, haben wir nie ein direktes Fenster für atomare Prozesse geöffnet."
Das heißt, sie öffneten sich erst, als Glenzer und seine Kollegen ein Experiment im Livermore National Laboratory (LLNL) durchführten, bei dem sie einen Hochleistungs-Janus-Laser verwendeten, um eine Probe von flüssigem Deuterium, einer schweren Form von Wasserstoff, schnell zu komprimieren und zu erhitzen und einen Röntgenblitz zu erzeugen., die konsistente strukturelle Veränderungen in der Probe zeigten.
Wissenschaftler haben gesehen, dass sich Deuterium oberhalb eines Drucks von 250.000 Atmosphären und einer Temperatur von 7.000 Grad Fahrenheit von einer neutralen Isolierflüssigkeit zu einer ionisierten metallischen Flüssigkeit ändert.
"Computersimulationen zeigen, dass der Übergang mit der Trennung zweier Atome zusammenfällt, die normalerweise in Deuteriummolekülen miteinander verbunden sind", sagt der Hauptautor Paul Davis, ein Doktorand an der University of California in Berkeley zum Zeitpunkt des Schreibens. "Anscheinend zerreißen der Druck und die Temperatur der laserinduzierten Stoßwelle die Moleküle, ihre Elektronen werden ungebunden und können Elektrizität leiten."
Neben der Planetenforschung könnte diese Forschung auch die Forschung unterstützen, die darauf abzielt, Deuterium als Kernbrennstoff für thermonukleare Reaktionen zu verwenden.
Wie man einen Weltraumbeschleuniger baut
Das dritte Beispiel für ein extremes Universum, ein Universum "am Rande", sind unglaublich leistungsstarke kosmische Teilchenbeschleuniger - zum Beispiel in der Nähe von supermassiven Schwarzen Löchern - die Ströme von ionisiertem Gas, Plasma und Hunderttausenden von Lichtjahren in den Weltraum speien. Die in diesen Strömen und ihren elektromagnetischen Feldern enthaltene Energie kann in unglaublich energetische Teilchen umgewandelt werden, die sehr kurze, aber intensive Gammastrahlen erzeugen, die auf der Erde nachgewiesen werden können.
Wissenschaftler möchten wissen, wie diese Energiebeschleuniger funktionieren, da sie das Verständnis des Universums erleichtern. Darüber hinaus könnten daraus neue Ideen für den Bau leistungsfähigerer Beschleuniger abgeleitet werden. Schließlich ist die Teilchenbeschleunigung das Herzstück vieler grundlegender physikalischer Experimente und medizinischer Geräte.
Wissenschaftler glauben, dass eine der Hauptantriebskräfte hinter Weltraumbeschleunigern die "magnetische Wiederverbindung" sein könnte - ein Prozess, bei dem Magnetfeldlinien in einem Plasma auf andere Weise aufbrechen und wieder verbunden werden und magnetische Energie freisetzen.
„Eine magnetische Wiederverbindung wurde bereits im Labor beobachtet, beispielsweise bei Experimenten mit der Kollision zweier Plasmen, die mit Hochleistungslasern erzeugt wurden“, sagt Frederico Fiutsa, Wissenschaftler an der High Energy Density Science Division und Hauptforscher des im März in Physical Review Letters veröffentlichten theoretischen Papiers. … „Trotzdem hat keines dieser Laserexperimente eine nichtthermische Beschleunigung von Partikeln beobachtet - eine Beschleunigung, die nicht mit einer Plasmaerwärmung verbunden ist. Unsere Arbeit zeigt, dass unsere Experimente es bei einem bestimmten Design sehen sollten."
Sein Team führte eine Reihe von Computersimulationen durch, die vorhersagten, wie sich Plasmapartikel in solchen Experimenten verhalten sollten. Die schwerwiegendsten Berechnungen, basierend auf 100 Milliarden Partikeln, erforderten über eine Million CPU-Stunden und über ein Terabyte Speicher auf dem Mira-Supercomputer im Argonne National Laboratory.
"Wir haben Schlüsselparameter für die erforderlichen Detektoren identifiziert, einschließlich des Energiebereichs, in dem sie betrieben werden, der erforderlichen Energieauflösung und des Ortes im Experiment", sagte der Hauptautor Samuel Totorika, ein Doktorand an der Stanford University. "Unsere Ergebnisse sind ein Rezept für die Gestaltung zukünftiger Experimente, bei denen untersucht werden soll, wie Partikel durch magnetische Wiederverbindung Energie erhalten."
