Исследователи из двух ведущих научных организаций Германии — Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) и European XFEL — смогли создать и пронаблюдать экстремальные условия, напоминающие те, что существуют внутри планет и звёзд, используя значительно меньший лазер по сравнению с ранее применявшимися устройствами. Это открытие предоставляет новые перспективы для изучений в области астрофизики и материаловедения.
До настоящего времени для воспроизведения таких условий использовались самые мощные лазеры мира, такие как National Ignition Facility (NIF). [Национальная лаборатория оптического зажигания (NIF) — это одна из мощнейших лазерных установок, расположенная в Ливерморе (Калифорния), специально созданная для достижения термоядерного синтеза путем сжатия и нагрева ядерного топлива до его реактивного состояния. Установка обладает рекордной мощностью в 500 тераватт и используется для исследований в области термоядерного синтеза, физики плазмы и ядерной физики.] Однако таких лазеров немного в мире, и их использование в научных экспериментах ограничено. Группа исследователей под руководством HZDR в сотрудничестве с European XFEL достигла аналогичных условий, используя более компактный лазер.
Основой новой методики является тонкая медная проволока, подвергающаяся воздействию сверхкоротких лазерных импульсов. Это приводит к образованию ударной волны, которая создает внутри проволоки условия с экстремально высокими давлениями и температурами. Исследователи использовали рентгеновские импульсы лазера European XFEL, способного генерировать короткие рентгеновские вспышки для определения структуры и поведения материалов на атомном уровне, чтобы наблюдать и измерить данные условия.
«Мы смогли использовать сильные рентгеновские вспышки европейского XFEL, чтобы заглянуть внутрь провода. Эта комбинация короткоимпульсного и рентгеновского лазера уникальна в мире. Только благодаря высокому качеству и чувствительности рентгеновского пучка мы смогли детально наблюдать эффект», — пояснил доктор Алехандро Ласо Гарсия, ведущий автор работы.
При выполнении серии измерений учёные изменяли временной интервал между лазерной вспышкой и просветкой рентгеновскими лучами, что позволило создать детализированные «рентгеновские плёнки» процесса.
«Сначала лазерный импульс взаимодействует с проволокой, создавая локальную ударную волну, которая распространяется по проволоке, вызывая её разрушение. Перед этим высокоэнергетические электроны, появившиеся в результате удара лазера, начинают распространяться по поверхности проволоки», — рассказал доктор Тома Тончиан, глава отдела HIBEF.
Эти электроны быстро нагревают поверхность проволоки, генерируя вторичные ударные волны. Эти волны сходятся к центру проволоки, создавая кратковременные экстремально высокие давления и температуры.
Измерения показали, что плотность меди в центральной части проволоки временно возросла в восемь-девять раз по сравнению с обычной холодной медью.
«Симуляции показали, что достигнуто давление в 800 мегабар, что равно 800 миллионам атмосфер и в 200 раз превышает давление внутри Земли», — отметил профессор Томас Коуэн, директор Института радиационной физики HZDR и инициатор консорциума HIBEF.
Температуры также были поражающими: 100 000 градусов по Цельсию — значения, близкие к тем, что наблюдаются в короне белого карлика.
«Наш подход может быть использован для достижения условий, подобных тем, что существуют внутри гигантских газовых планет», — подчеркнул Ласо Гарсия. Это касается не только больших планет, таких как Юпитер, но и множества экзопланет, открытых за последние годы.
Теперь учёные нацелены на исследование проволок из других материалов, таких как железо и пластик. «Пластик преимущественно состоит из водорода и углерода, которые также встречаются в звёздах и их короне», — добавил Тончиан.
Новый метод измерения найдёт применение не только в астрофизике. «Наш эксперимент ярко продемонстрировал возможность создания очень высоких плотностей и температур в различных материалах. Это продвинет исследования в сфере термоядерного синтеза на новый уровень», — отметил Ульф Застрау, руководитель группы HED в European XFEL.
Источник: iXBT
