Условия в нашей необъятной Вселенной могут быть самыми разными. Жестокое падение небесных тел не остается на поверхности планет шрамы. Ядерные реакции в сердцах звезд генерировать огромное количество энергии. Гигантские взрывы будут катапульты вещества подальше в космос. Но как именно такие процессы, как эти? Что они говорят нам о Вселенной? Можно ли использовать их силу на благо человечества?
Чтобы выяснить это, ученые из Национальной ускорительной лаборатории slac провели сложные эксперименты и компьютерное моделирование, которые воссоздают условия жестокой пространства в микро-масштабе лаборатории.
«В области лабораторной астрофизике быстро растет и подпитывается несколько технологических прорывов, — говорит Зигфрид Glenzer, руководитель научного отдела высоких плотностей энергии на ускорителе slac. — Теперь у нас есть мощные лазеры для создания экстремальных состояний вещества, передовые источников рентгеновского излучения для анализа этих государств на атомном уровне и высокопроизводительных суперкомпьютеров для выполнения сложных симуляторах, которые направляют и помогают объяснить наши эксперименты. С большим потенциалом в этих областях, ускорителе slac особенно благодатная почва для таких исследований».
В трех недавних исследованиях, которые подчеркивают этот подход, влияют на падение метеоров, ядер планет-гигантов и космические ускорители частиц, в миллионы раз мощнее большого адронного коллайдера, крупнейшего ускорителя частиц на Земле.
Пространство «побрякушки», указывают на метеоры
Известно, что высокое давление может получиться мягкая форма углерода-это графит, который используется в качестве стилуса находится в крайне тяжелом форма углерода, алмаза. Если это то, что может произойти, если метеорит ударит в графит на земле? Ученые считают, что это, и что эти капли являются, по сути, могут быть достаточно мощными, чтобы произвести так называемую lonsdeylite, особая форма алмаза, который был даже сильнее, чем обычный алмаз.
«Существование голубые сыры были оспорены, но теперь мы находим убедительное свидетельство этого», — говорит Glenzer, руководитель работы, опубликованной в марте в природе связи.
Ученые подогревом поверхности графита мощный оптический лазерный импульс, который послал ударные волны внутри образца и быстро сжал. Показывая через источник ярких, сверхбыстрая рентгеновская LCLS, исследователи смогли увидеть, как потрясение изменило атомную структуру графита.
«Мы увидели, что в некоторых образцах графита, на несколько миллиардных долей секунды и при давлении в 200 ГИГАПАСКАЛЕЙ (2 миллиона раз атмосферное давление на уровне моря) формируется lonsdeylite» сказал ведущий Автор Доминик Краус из немецкого центра Гельмгольца, работала в университете Калифорнии в Беркли во время исследования. «Эти результаты сильно поддерживают идею о том, что акты насилия могут синтезировать эту форму ромба, а это, в свою очередь, может помочь нам определить место падения метеора».
Гигантская планета превратить водород в металл
Второе исследование, опубликованное недавно в природе связь, посвящена еще одна важная трансформация, которая может произойти внутри гигантских газовых планет вроде Юпитера, внутренней части, которая в основном состоит из жидкого водорода: при высокой температуре и давлении, этот материал переходит из «нормального» состояния изоляции к металлической, ща.
«Понимание этого процесса дает новые подробности о формировании планет и эволюции Солнечной системы», — говорит Glenzer, который также был одним из главных исследователей этой работы. «Хотя этот переход уже предсказана в 1930-х годах, мы никогда не открывали прямое окно в ядерных процессов».
Т. е. не открывать до тех пор, пока Glenzer и его коллеги-ученые провели эксперимент в Национальной лаборатории в Ливерморе (LLNL), где он использовал Янус высокомощный лазер для сжатия и нагрева образца жидкого дейтерия, тяжелой форме водорода, и создает вспышку рентгена, который выявил последовательные структурные изменения в образце.
Ученые увидели, что более высокое давление в 250 000 атмосфер и температуре 7000 градусов по Фаренгейту, дейтерий действительно меняется от нейтрального изолируя жидкости в ионизированной металла.
«Компьютерное моделирование показывает, что переход совпадает с отрывом двух атомов, как правило, связаны в молекулы дейтерия», — говорит ведущий Автор Пол Дэвис, аспирант Калифорнийского университета в Беркли во время написания исследования. «Судя по всему, давления и температуры, вызванные лазерной ударной волны разорвать молекулы на части, их электроны становятся несвязанными и могут проводить электричество».
В дополнение к планетологии, это исследование также может помочь в исследованиях, направленных на использование дейтерия в качестве ядерного топлива для термоядерных реакций.
Как построить космический ускоритель
Третий пример экстремальной Вселенной «на краю», это невероятно мощных космических ускорителей частиц — около сверхмассивных черных дыр, например, извергающего потоки ионизированного газа, плазмы, сотни тысяч световых лет в космос. Энергию, содержащуюся в этих токов и их электромагнитными полями могут быть преобразованы в высокоэнергетических частиц, которые производят очень короткие, но интенсивные вспышки гамма-излучения, которые могут быть обнаружены на Земле.
Ученые хотели бы знать, как эти энергии ускорители, так как это поможет понять Вселенную. Кроме того, его можно почерпнуть свежие идеи для создания более мощных ускорителей. В итоге, ускорение частиц лежит в основе многих фундаментальных физических экспериментов и медицинской техники.
Ученые считают, что одной из основных движущих сил космических ускорителей «магнитное пересоединение» это процесс, в котором линии магнитного поля в плазме перерыв и присоединяется другую сторону, выпуская магнитной энергии.
«Магнитное пересоединение, ранее наблюдавшихся в лаборатории, например, в экспериментах со столкновением двух плазм, которые были созданы с помощью мощных лазеров», — говорит Федерико это, ученый из исследовательского отдела высоких плотностей энергии и главный исследователь теоретических работ, опубликованных в марте в Физическая. «Однако, ни один из этих лазерных экспериментах не наблюдали determlne ускорение частиц — ускорение, которое не связано с нагрева плазмы. Наша работа показывает, что при надлежащей разработке наших опытах должен увидеть его».
Его команда провели серию компьютерных симуляций, что предсказал поведение частиц плазмы в таких экспериментах. Наиболее серьезные расчеты на основании 100 миллиардов частиц требуется более миллиона часов процессорного и более терабайт памяти суперкомпьютеров мира, Аргоннская национальная лаборатория.
«Мы определили ключевые параметры для используемых детекторов, в том числе и в энергетическом диапазоне, в котором они будут работать, необходимое энергетическое разрешение и место в эксперименте, — говорит ведущий Автор исследования Сэмюэл к «tatarica», аспирант Стэнфордского университета. — Наши результаты-это прямой путь к разработке будущих экспериментов, которые захотят знать, как частицы получают энергию в процессе магнитного пересоединения».
