Радиационное гидродинамическое моделирование. Результаты одномерного радиационно-гидродинамического моделирования с использованием программы HYDRA, иллюстрирующие динамику имплозии бериллиевой оболочки. Эти симуляции настроены таким образом, чтобы воспроизвести наблюдаемое время радиографического эксперимента N160801-001-999. (а) результаты моделирования для эволюции плотности массы и (b) увеличение для поведения, близкого к стагнации. На панелях (c) и (d) показаны радиальные профили плотности массы и температуры для различных моментов времени вблизи стагнации соответственно.
Кредит: Природа (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05996-8

«Если вы можете воссоздать условия, которые возникают в звездном объекте, то вы действительно можете узнать, что происходит внутри него», — сказал сотрудник Зигфрид Гленцер, директор отдела высокой плотности энергии в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики. «Это все равно, что поместить термометр в звезду и измерить, насколько она горячая и как эти условия влияют на атомы внутри материала. Это может научить нас новым способам манипулирования материей для получения термоядерных источников энергии».

Международная исследовательская группа использовала самый большой и самый мощный в мире лазер National Ignition Facility (NIF) для создания экстремальных условий, необходимых для ионизации под давлением. Используя 184 лазерных луча , команда нагрела внутреннюю часть полости, преобразовав энергию лазера в рентгеновское излучение, которое нагрело бериллиевую оболочку диаметром 2 мм, расположенную в центре. Поскольку внешняя часть оболочки быстро расширялась из-за нагрева, внутренняя часть ускорялась внутрь, достигая температуры около двух миллионов кельвинов и давления до трех миллиардов атмосфер, создавая крошечный кусочек материи, как в карликовых звездах, на несколько наносекунд в лаборатория.

Образец сильно сжатого бериллия, плотность которого в 30 раз превышает его плотность в твердом состоянии, был исследован с помощью рентгеновских лучей, чтобы выяснить его плотность, температуру и электронную структуру. Результаты показали, что после сильного нагрева и сжатия по крайней мере три из четырех электронов в бериллии перешли в проводящие состояния. Кроме того, исследование обнаружило неожиданно слабое упругое рассеяние, указывающее на снижение локализации или высвобождение оставшегося электрона.

Материя внутри планет-гигантов и некоторых относительно холодных звезд сильно сжата под весом вышележащих слоев. При таких высоких давлениях, создаваемых сильным сжатием, близость атомных ядер приводит к взаимодействиям между электронными связанными состояниями соседних ионов и в конечном итоге к их полной ионизации. В то время как ионизация в горящих звездах в основном определяется температурой, в более холодных объектах преобладает ионизация, вызванная давлением.

Несмотря на свою важность для структуры и эволюции небесных объектов, ионизация под давлением как путь к сильно ионизированному веществу теоретически недостаточно изучена. Более того, требуемые экстремальные состояния вещества очень сложно создать и изучить в лаборатории, сказал физик LLNL Тило Дёппнер, руководивший проектом.

«Воспроизводя экстремальные условия, подобные тем, что существуют внутри планет-гигантов и звезд, мы смогли наблюдать изменения в свойствах материалов и электронной структуре, которые не учитываются современными моделями», — сказал Дёппнер. «Наша работа открывает новые возможности для изучения и моделирования поведения вещества при экстремальном сжатии. Ионизация в плотной плазме является ключевым параметром, поскольку она влияет на уравнение состояния, термодинамические свойства и перенос излучения через непрозрачность».

Исследование также имеет важное значение для экспериментов по термоядерному синтезу с инерционным удержанием в NIF, где поглощение рентгеновского излучения и сжимаемость являются ключевыми параметрами для оптимизации высокопроизводительных термоядерных экспериментов. По словам Дёппнера, всестороннее понимание ионизации, вызванной давлением и температурой, необходимо для моделирования сжатых материалов и, в конечном итоге, для разработки обильного, безуглеродного источника энергии с помощью лазерного ядерного синтеза.

«Уникальные возможности Национального центра зажигания не имеют себе равных. Есть только одно место на Земле, где мы можем создавать экстремальные сжатия планетарных ядер и звездных недр в лаборатории, а также изучать и наблюдать их, и это на самом большом в мире энергетическом лазере», — сказал Брюс Ремингтон, руководитель программы NIF Discovery Science. «Основываясь на предыдущих исследованиях в NIF, эта работа расширяет границы лабораторной астрофизики».