Apstākļi mūsu plašajā Visumā var būt ļoti atšķirīgi. Spēcīgi debess ķermeņu kritieni atstāj rētas uz planētu virsmas. Kodolreakcijas zvaigžņu sirdīs rada milzīgu enerģijas daudzumu. Milzu sprādzieni katapultēsies tālu kosmosā. Bet kā īsti notiek šādi procesi? Ko viņi mums saka par Visumu? Vai viņu varu var izmantot cilvēces labā?
Lai to uzzinātu, SLAC Nacionālās akseleratora laboratorijas zinātnieki ir veikuši sarežģītus eksperimentus un datorsimulācijas, kas laboratorijas mikromērogā atjauno skarbos telpas apstākļus.
“Laboratorijas astrofizikas joma strauji pieaug, un to veicina vairāki tehnoloģiski sasniegumi,” saka Zigfrīds Glenzers, SLAC zinātnes nodaļas ar augstu enerģijas blīvumu vadītājs. “Mums tagad ir jaudīgi lāzeri ekstrēmo matērijas stāvokļu radīšanai, uzlaboti rentgenstaru avoti šo stāvokļu analīzei atomu līmenī, kā arī augstas veiktspējas superdatori sarežģītām simulācijām, kas virza un palīdz izskaidrot mūsu eksperimentus. Ar plašajām iespējām šajās jomās SLAC kļūst par īpaši auglīgu augsni šāda veida pētījumiem.”
Trīs neseni pētījumi, kas izceļ šo pieeju, ir saistīti ar meteoru triecieniem, milzu planētas kodoliem un kosmisko daļiņu paātrinātājiem miljoniem reižu jaudīgāki nekā Lielais hadronu sadursmju rīks, kas ir lielākais daļiņu paātrinātājs uz Zemes.
Kosmiskie "piekariņi" norāda meteorītus
Ir zināms, ka augsts spiediens var pārveidot oglekļa mīksto formu - grafītu, kas tiek izmantots kā svins - ārkārtīgi smagā oglekļa formā, dimantā. Vai tas varētu notikt, ja meteors hit grafītu uz zemes? Zinātnieki uzskata, ka viņi to var, un ka šie kritumi faktiski varētu būt pietiekami jaudīgi, lai iegūtu to, ko viņi sauc par lonsdaleītu, īpašu dimanta formu, kas ir pat spēcīgāka par parasto dimantu.
"Lonsdaleīta esamība ir tikusi apstrīdēta, taču tagad mēs tam esam atraduši pārliecinošus pierādījumus," saka žurnāla Nature Communications martā publicētā darba galvenais pētnieks Glenzers.
Reklāmas video:
Zinātnieki grafīta virsmu sildīja ar jaudīgu optisko lāzera impulsu, kas paraugā raidīja trieciena vilni un ātri to saspieda. Izstarojot spilgtu, īpaši ātru LCLS rentgena starojumu caur avotu, zinātnieki varēja redzēt, kā trieciens izmainīja grafīta atomu struktūru.
“Dažos grafīta paraugos mēs redzējām lonsdaleīta formu dažās sekundes miljardās daļās un ar spiedienu 200 gigapaskali (2 miljoni reižu nekā atmosfēras spiediens jūras līmenī),” saka vadošais autors Dominiks Krautzs no Vācijas Helmholtz centra, kas atrodas Kalifornijā. Berkeley universitāte pētījumu laikā. "Šie rezultāti stingri atbalsta domu, ka vardarbīga ietekme var sintezēt šo dimanta formu, un tas, savukārt, var palīdzēt mums noteikt meteorītu ietekmes vietas."
Milzu planētas ūdeņradi pārvērš metālā
Otrais pētījums, kas nesen publicēts žurnālā Nature Communications, koncentrējas uz vēl vienu svarīgu pārveidošanu, kas varētu notikt tādu milzu gāzes planētu iekšienē kā Jupiters, kuras iekšpusē lielākoties ir šķidrais ūdeņradis: augstā temperatūrā un spiedienā šis materiāls iziet no “normāla”, elektriski izolējošs stāvoklis metāla, vadītspējīgā stāvoklī.
“Izpratne par šo procesu sniedz jaunas detaļas par planētu veidošanos un Saules sistēmas attīstību,” saka Glenzers, kurš bija arī viens no galvenajiem darba pētniekiem. "Kaut arī šāda pāreja tika prognozēta jau 30. gados, mēs nekad neatvēra tiešu logu atomu procesiem."
Tas ir, viņi neatvērās, līdz Glenzer un viņa kolēģi zinātnieki veica eksperimentu Livermore Nacionālajā laboratorijā (LLNL), kur viņi izmantoja lieljaudas Janus lāzeru, lai ātri saspiestu un sasildītu šķidrā deitērija paraugu, smago ūdeņraža formu, un izveidotu rentgena zibspuldzi., kas atklāja konsekventas strukturālās izmaiņas izlasē.
Zinātnieki ir redzējuši, ka virs 250 000 atmosfēras spiediena un 7000 grādu Fārenheita temperatūras deitērijs mainās no neitrāla izolācijas šķidruma uz jonizētu metālisku.
"Datorsimulācijas rāda, ka pāreja sakrīt ar divu atomu atdalīšanu, kas parasti ir savienoti kopā ar deitērija molekulām," saka svina autors Pols Deiviss, Kalifornijas universitātes Bērklija universitātes doktorants, rakstīšanas laikā. "Acīmredzot ar lāzera ierosināta trieciena viļņa spiedienu un temperatūru plīst molekulas viena no otras, to elektroni kļūst nesaistīti un var vadīt elektrību."
Papildus planētu zinātnei šis pētījums varētu palīdzēt arī pētījumiem, kuru mērķis ir izmantot deitēriju kā kodoldegvielu termobrandu reakcijām.
Kā izveidot kosmosa paātrinātāju
Trešais ekstrēmā Visuma, uz Visuma "uz sliekšņa", piemērs ir neticami jaudīgi kosmosa daļiņu paātrinātāji - piemēram, netālu no supermasīvajiem melnajiem caurumiem - jonizētas gāzes, plazmas, simtiem tūkstošu gaismas gadu straumju novirzīšanās kosmosā. Šajās straumēs esošo enerģiju un to elektromagnētiskos laukus var pārveidot par neticami enerģētiskām daļiņām, kas rada ļoti īsus, bet intensīvus gamma staru pārrāvumus, ko var noteikt uz Zemes.
Zinātnieki vēlētos uzzināt, kā darbojas šie enerģijas paātrinātāji, jo tas palīdzēs izprast Visumu. Turklāt no tā varētu gūt svaigas idejas par jaudīgāku paātrinātāju veidošanu. Galu galā, daļiņu paātrināšana ir daudzu fizikālo eksperimentu un medicīnas ierīču centrā.
Zinātnieki uzskata, ka viens no galvenajiem kosmosa paātrinātāju virzošajiem spēkiem varētu būt "magnētiskā atkārtota savienošana" - process, kurā plazmas magnētiskā lauka līnijas sašķeļas un savijas citā veidā, atbrīvojot magnētisko enerģiju.
“Magnētiska atkārtota savienošana iepriekš tika novērota laboratorijā, piemēram, eksperimentos ar divu plazmu, kas tika izveidotas, izmantojot lielas jaudas lāzerus, sadursmi,” saka Frederiko Fiuza, Augsta enerģijas blīvuma zinātnes nodaļas zinātnieks un martā publicētajā “Physical Review Letters” publicētā teorētiskā darba galvenais pētnieks. … “Neskatoties uz to, nevienā no šiem lāzera eksperimentiem nav novērots daļiņu paātrinājums, kas nav saistīts ar termēšanu - paātrinājums, kas nav saistīts ar plazmas sildīšanu. Mūsu darbs parāda, ka ar noteiktu dizainu mūsu eksperimentos tas būtu jāredz."
Viņa komanda vadīja datoru simulāciju sēriju, kas paredzēja, kā plazmas daļiņām vajadzētu izturēties šādos eksperimentos. Visnopietnākie aprēķini, kuru pamatā ir 100 miljardi daļiņu, prasīja vairāk nekā miljonu CPU stundu un vairāk nekā terabaitu atmiņas Mira superdatorā Argonnes Nacionālajā laboratorijā.
"Mēs esam noteikuši galvenos parametrus nepieciešamajiem detektoriem, ieskaitot enerģijas diapazonu, kurā tie darbosies, nepieciešamo enerģijas izšķirtspēju un atrašanās vietu eksperimentā," sacīja vadošais autors Samuels Totorika, Stenfordas universitātes doktorants. "Mūsu rezultāti atspoguļo recepti nākotnes eksperimentu plānošanai, kas vēlēsies uzzināt, kā daļiņas iegūst enerģiju no magnētiskas atkārtotas savienošanas."
