Meie tohutu universumi tingimused võivad olla väga erinevad. Taevakehade vägivaldne kukkumine jätab planeetide pinnale armid. Tuumareaktsioonid tähtede südames toodavad tohutul hulgal energiat. Hiiglaslikud plahvatused katapulteerivad kosmosesse kosmose. Kuid kuidas täpselt sellised protsessid kulgevad? Mida nad meile universumi kohta räägivad? Kas nende võimu saab kasutada inimkonna hüvanguks?
Selle väljaselgitamiseks on SLAC riikliku kiirendi labori teadlased viinud läbi keerukaid katseid ja arvutisimulatsioone, mis taasloovad karmid kosmoseolud labori mikromõõtmetes.
“Laboratoorse astrofüüsika valdkond kasvab kiiresti ja seda soodustavad mitmed tehnoloogilised läbimurded,” ütles SLAC-i kõrge energiatihedusega teadusdivisjoni juht Siegfried Glenzer. „Nüüd on meil olemas võimsad laserid mateeria ekstreemsete olekute loomiseks, täiustatud röntgenikiirgusallikad nende olekute analüüsimiseks aatomi tasemel ning kõrgjõudlusega superarvutid keerukate simulatsioonide jaoks, mis juhendavad ja aitavad meie katseid selgitada. Nendes piirkondades on tohutute võimalustega SLAC-ist saamas sedalaadi teadusuuringute jaoks eriti viljakas pinnas.”
Kolm hiljutist uuringut, mis seda lähenemisviisi esile tõstevad, hõlmavad meteoorirünnakuid, hiiglaslikke planeedisüdamikke ja kosmiliste osakeste kiirendajaid miljoneid kordi võimsamaid kui Suur Hadroni põrkeseade, mis on Maa suurim osakestekiirendi.
Kosmilised nipsasjad tähistavad meteoore
On teada, et kõrge rõhk võib muuta süsiniku pehme vormi - grafiidi, mida kasutatakse pliina, eriti raskeks süsiniku vormiks, teemandiks. Kas see võib juhtuda, kui meteoor tabab maapinnal olevat grafiiti? Teadlased usuvad, et nad suudavad, ja et need kukkumised võivad tegelikult olla piisavalt võimsad, et toota seda, mida nad nimetavad lonsdaleiidiks, teemandi erivormi, mis on tavalisest teemandist veelgi tugevam.
"Lonsdaleiti olemasolu on vaidlustatud, kuid nüüd leidsime selle jaoks kaalukaid tõendeid," ütleb märtsis ajakirjas Nature Communications avaldatud paberi peauurija Glenzer.
Reklaamvideo:
Teadlased soojendasid grafiidi pinda võimsa optilise laserimpulsiga, mis saatis proovile lööklaine ja surus selle kiiresti kokku. Lähte kaudu eredate ülikiirete LCLS-röntgenkiirte abil said teadlased näha, kuidas löök muutis grafiidi aatomistruktuuri.
“Me nägime mõnedes grafiidiproovides lonsdaleiti vormi mõne sekundi sekundi jooksul ja rõhul 200 gigapaskalit (2 miljonit korda suurem õhurõhust merepinnal),” ütleb Californias asuva Saksa Helmholtzi keskuse juhtiv autor Dominik Krautz. Berkeley ülikool teadusuuringute ajal. "Need tulemused toetavad tugevalt ideed, et vägivaldne mõju võib seda teemandi vormi sünteesida ja see võib omakorda aidata meil tuvastada meteooride mõjualasid."
Hiiglaslikud planeedid muudavad vesiniku metalliks
Teises hiljuti ajakirjas Nature Communications avaldatud uuringus käsitletakse veel ühte olulist muutust, mis võinuks aset leida hiiglaslikes gaasiplaneetide nagu Jupiter sees, mille sisemus on enamasti vedel vesinik: kõrgel temperatuuril ja rõhul nihkub see materjal "normaalsest", elektriliselt isoleerivast olekust metalliline, juhtiv.
"Selle protsessi mõistmine annab uusi üksikasju planeetide moodustumise ja Päikesesüsteemi arengu kohta," ütleb Glenzer, kes oli ka üks töö peamisi uurijaid. "Kuigi sellist üleminekut ennustati juba 1930ndatel, ei avanud me kunagi otsest akent aatomiprotsessidele."
See tähendab, et seda ei avatud enne, kui Glenzer ja tema kaasteadlased viisid Livermore'i riiklikus laboris (LLNL) läbi eksperimendi, kus nad kasutasid suure võimsusega Januse laserit vedela deuteeriumi, vesiniku raske vormi proovi kiireks pigistamiseks ja kuumutamiseks ning röntgenipurske loomiseks., mis näitas valimi järjekindlaid struktuurimuutusi.
Teadlased on näinud, et rõhu 250 000 atmosfääri ja temperatuuri 7000 kraadi Fahrenheiti kohal muutub deuteerium neutraalsest isoleerivast vedelikust ioniseeritud metalliliseks.
"Arvutisimulatsioonid näitavad, et üleminek langeb kokku kahe aatomi eraldumisega, mis on tavaliselt ühendatud deuteeriumimolekulidega," ütleb kirjutamise ajal Berkeley osariigis California ülikooli magistrant Paul Davis. "Ilmselt rebib laseriga indutseeritud lööklaine rõhk ja temperatuur molekulid laiali, nende elektronid muutuvad seondumata ja võivad elektrit juhtida."
Lisaks planeediteadusele võiks see teadustöö hõlbustada ka uuringuid, mille eesmärk on kasutada deuteeriumi termotuumareaktsioonide tuumkütusena.
Kuidas ehitada kosmosekiirendit
Kolmas näide äärmuslikust universumist, universumist, mis asub "äärel", on uskumatult võimsad kosmoseosakeste kiirendid - näiteks supermassiivsete mustade aukude lähedal -, mis kiirgavad kosmosesse ioniseeritud gaasi, plasma, sadade tuhandete valgusaastate vooge. Nendes vooludes sisalduvat energiat ja nende elektromagnetvälju saab muuta uskumatult energeetilisteks osakesteks, mis tekitavad väga lühikese, kuid intensiivse gammakiirguse purske, mida saab Maal tuvastada.
Teadlased tahaksid teada, kuidas need energiakiirendid toimivad, kuna see aitab universumit mõista. Lisaks võiks sellest ammutada värskeid ideid võimsamate kiirendite ehitamiseks. Lõppude lõpuks on osakeste kiirendus paljude fundamentaalsete füüsikakatsete ja meditsiiniseadmete keskmes.
Teadlaste arvates võiks kosmosekiirendite üheks peamiseks liikumapanevaks jõuks olla "magnetiline taasühendamine" - protsess, mille käigus plasma magnetvälja jooned purunevad ja taasühenduvad, vabastades magnetilise energia.
“Magnetilist taasühendamist on laboris varem täheldatud, näiteks katsetes kahe suure võimsusega laseritega loodud plasma kokkupõrkel,” ütleb Frederico Fiutsa, kõrge energiatihedusega teaduse osakonna teadlane ja märtsis ajakirjas Physical Review Letters avaldatud teoreetilise paberi peauurija. … “Sellegipoolest pole ükski neist laserkatsetest täheldanud osakeste mittetermaalset kiirendust - kiirendust, mis pole seotud plasma kuumutamisega. Meie töö näitab, et teatud kujundusega peaksid meie katsed seda nägema."
Tema meeskond viis läbi arvutisimulatsioone, mis ennustasid, kuidas plasmaosakesed peaksid sellistes katsetes käituma. Kõige tõsisemad arvutused, mis põhinevad 100 miljardil osakesel, nõudsid Argonne'i riiklikus laboratooriumis Mira superarvuti üle miljoni protsessori tunni ja terabaidi mälu.
"Oleme tuvastanud vajalike detektorite põhiparameetrid, sealhulgas energiavahemiku, milles need töötavad, vajaliku energia eraldusvõime ja asukoha katses," ütles Stanfordi ülikooli magistrant Samuel Totorika. "Meie tulemused esindavad retsepti tulevaste katsete kavandamiseks, mis soovivad teada saada, kuidas osakesed saavad magnetilise taasühenduse kaudu energiat."
