实验室极端压力下的恒星物质的秘密首次被揭开天天报资讯

来源：cnBeta 　2023-06-13 16:46:27

(资料图)

包括罗斯托克大学和德累斯顿-罗森道夫亥姆霍兹中心（HZDR）的科学家在内的一个研究小组在劳伦斯-利弗莫尔国家实验室（LLNL）进行了实验室实验，对巨行星和恒星中压力驱动的电离的复杂过程提供了新的见解。他们的研究于5月24日发表在《自然》杂志上，揭示了物质在极端压缩条件下的材料特性和行为，为天体物理学和核聚变研究提供了重要意义。

该国际研究小组利用世界上最大和最有能量的激光器，即国家点火设施（NIF）来产生压力驱动电离所需的极端条件。通过使用184道激光束，研究小组加热了一个空腔的内部，将激光能量转换为X射线，加热了放置在中心的直径为2毫米的铍壳。当壳的外部由于加热而迅速膨胀时，内部加速向内达到大约200万开尔文的温度和高达30亿个大气压的压力，在实验室里创造了一个在矮星中发现的微小物质，时间为几纳秒。

研究人员使用X射线汤姆森散射法对高度压缩的铍样品进行了探测，其密度、温度和电子结构是其环境固体密度的30倍。研究结果显示，在强烈的加热和压缩之后，铍的四个电子中至少有三个过渡到了导电状态。此外，该研究还发现了意想不到的弱弹性散射，表明剩余电子的本地化程度降低。

巨型行星和一些相对冷的恒星内部的物质被上面的层的重量所高度压缩。在这种由高度压缩产生的高压下，原子核的接近引发了相邻离子的电子束缚状态之间的相互作用，并最终导致它们完全电离。虽然燃烧中的恒星的电离主要由温度决定，但压力驱动的电离在较冷的物体中占主导地位。

"恒星内部原子的电离程度对于能量如何有效地通过辐射从中心向外部传输至关重要。如果这一点受到太严重的限制，它就会在天体中变得湍流，类似于一个锅。"多米尼克-克劳斯解释说，他在项目开始时还在加利福尼亚工作，现在是罗斯托克大学的物理学教授和HZDR的小组负责人。"如果它的的流速过于湍急，我们所知道的生命可能不可能在小恒星周围的近距离轨道上出现。"

尽管压力电离对天体的结构和演化很重要，但作为通向高度电离物质的途径，理论上并不十分清楚。此外，所需的极端物质状态很难在实验室中创造和研究，领导该项目的LLNL物理学家和罗斯托克大学的校友Tilo Döppner说。"我们的工作为研究和模拟极端压缩下的物质行为开辟了新的途径。密集等离子体中的电离是一个关键参数，因为它影响到状态方程、热力学特性和通过不透明的辐射传输"。

这项研究对NIF的惯性约束核聚变实验也有重大影响，X射线吸收和压缩性是优化高性能核聚变实验的关键参数。Döppner补充说，对压力和温度驱动的电离的全面理解对于压缩材料的建模以及最终通过激光驱动的核聚变开发丰富的无碳能源至关重要。

罗斯托克大学物理学教授、致密天体物理等离子体理论描述专家Ronald Redmer报告说："这些突破性的结果也是由罗斯托克大学和德累斯顿-罗森道夫亥姆霍兹中心的博士生们的专注工作促成的，他们中的一些人已经在加利福尼亚的NIF完成了研究。对来自复杂的实验装置的结果进行评估以及对所调查的等离子体状态进行建模是非常复杂的，需要大量的计算能力。花了几年时间才达到目前对实验数据的理解"。

研究人员还希望从德国的一个设施中获得对数十亿个大气压下的物质的进一步深入了解。在位于Schenefeld的欧洲XFEL的亥姆霍兹极限场国际光束线（HIBEF）的帮助下，罗斯托克大学和亥姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫中心的科学家们希望在更小的规模上实现类似的条件。这将使我们能够进行比目前在NIF所能进行的更多的实验。

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