De krachtigste laser ter wereld onthult de geheimen van ionisatie als gevolg van druk in sterren en kernfusie

Wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory hebben met succes de krachtigste laser ter wereld gebruikt om drukionisatie te simuleren en te bestuderen, een proces dat van vitaal belang is voor het begrijpen van de structuur van planeten en sterren. Het onderzoek heeft onverwachte eigenschappen van sterk gecomprimeerde materie aan het licht gebracht en heeft belangrijke implicaties voor astrofysica en onderzoek naar kernfusie.

Wetenschappers hebben laboratoriumexperimenten uitgevoerd in het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) die nieuwe inzichten verschaffen in het complexe proces van drukgeïnduceerde ionisatie in gigantische planeten en sterren. Hun onderzoek werd op 24 mei gepubliceerd in natuuronthult de eigenschappen van materialen en het gedrag van materie onder extreme druk, wat belangrijke implicaties biedt voor astrofysica en onderzoek naar kernfusie.

“Als je de omstandigheden kunt nabootsen die in een astraal lichaam voorkomen, kun je echt zien wat er binnenin gebeurt”, zegt medewerker Siegfried Glenzer, directeur van de High Energy Density Division van het SLAC National Accelerator Laboratory van de DOE. “Het is alsof je een thermometer in een ster stopt en de temperatuur meet en wat die omstandigheden doen met de atomen in de materie. Het kan ons nieuwe manieren leren om materie te verwerken voor fusie-energiebronnen.”

Het internationale onderzoeksteam gebruikte ’s werelds grootste en meest energieke laser, de National Ignition Facility (NIF), om de extreme omstandigheden te genereren die nodig zijn voor drukionisatie. Met behulp van 184 laserstralen verwarmde het team de binnenkant van de holte, waarbij de laserenergie werd omgezet in röntgenstralen die een in het midden geplaatste berylliumschil met een diameter van 2 millimeter verhitten. Terwijl het buitenoppervlak van de schaal snel uitbreidde als gevolg van de temperatuurstijging, versnelde het binnenste naar binnen, bereikte temperaturen van ongeveer twee miljoen kelvin en drukken van drie miljard atmosfeer, waardoor een klein stukje materie ontstond zoals gevonden in dwergsterren gedurende een paar nanoseconden in een laboratorium.

Het zeer samendrukbare berylliummonster, met tot 30 keer de dichtheid van de omringende vaste stof, werd onderzocht met behulp van Thomson-röntgenverstrooiing om de dichtheid, temperatuur en elektronenstructuur af te leiden. De resultaten onthulden dat na sterke verhitting en druk, ten minste drie van de vier elektronen in beryllium overgingen in geleidende toestanden. Bovendien onthulde de studie een onverwacht zwakke elastische verstrooiing, wat wijst op een lage lokalisatie van resterende elektronen.

Het materiaal in het binnenste van gigantische planeten en sommige relatief koele sterren wordt stevig samengedrukt door het gewicht van de lagen erboven. Bij dergelijke hoge drukken leidt de nabijheid van de atoomkernen als gevolg van hoge druk tot interacties tussen de elektronische bindingstoestanden van naburige ionen en uiteindelijk hun volledige ionisatie. Terwijl ionisatie in brandende sterren voornamelijk wordt bepaald door temperatuur, domineert ionisatie als gevolg van druk in koelere objecten.

Hoewel belangrijk voor de structuur en evolutie van hemellichamen, wordt drukionisatie als pad voor sterk geïoniseerde materie theoretisch slecht begrepen. Bovendien is het erg moeilijk om de vereiste extreme toestanden van materie in het laboratorium te creëren en te bestuderen, zei LLNL-natuurkundige Thilo Dubner, die het project leidde.

“Door extreme omstandigheden na te bootsen die vergelijkbaar zijn met die in gigantische planeten en sterren, waren we in staat veranderingen in materiaaleigenschappen en elektronenstructuur waar te nemen die niet worden vastgelegd door de huidige modellen, ” zei Dubner. “Ons werk opent nieuwe horizonten voor het bestuderen en modelleren van het gedrag van materie onder extreme druk. Ionisatie in dicht plasma is een sleutelfactor omdat het de toestandsvergelijking, thermodynamische eigenschappen en stralingstransport door ondoorzichtigheid beïnvloedt.”

Het onderzoek heeft ook belangrijke implicaties voor fusie-experimenten met zelfopsluiting bij NIF, waar röntgenabsorptie en afstembaarheid sleutelfactoren zijn voor het optimaliseren van hoogwaardige fusie-experimenten. Een uitgebreid begrip van ionisatie als gevolg van druk en temperatuur is essentieel voor het modelleren van gecomprimeerde materialen en uiteindelijk voor het ontwikkelen van een overvloedige, koolstofvrije energiebron via lasergestuurde kernfusie, zei Dubner.

“De unieke mogelijkheden van de National Ignition Facility zijn ongeëvenaard. Er is maar één plek op aarde waar we de intense compressie van planetaire kernen en stellaire interieurs in het laboratorium kunnen creëren, bestuderen en monitoren, en dat is op ’s werelds grootste laser, “zei Bruce Remington, NIF Discovery Science-programma En de meest actieve. leider. “Voortbouwend op de basis van eerder onderzoek bij NIF, verlegt dit werk de grenzen van laboratoriumastrofysica.”

Referentie: “Observatie van het begin van K-shell-delokalisatie als gevolg van druk” door T. Döppner, M. Bethkenhagen, D. Kraus, P. Neumayer, DA Chapman, B. Bachmann, RA Baggott, MP Böhme, L. Divol, en RW Falcone, LB Fletcher, OL Landen, MJ MacDonald, AM Saunders, M. Schörner, PA Sterne, J. Vorberger, BBL Witte, A. Yi, R. Redmer, SH Glenzer en DO Gericke, 24 mei 2023, beschikbaar hier. natuur.
DOI: 10.1038/s41586-023-05996-8

Onder leiding van Dubner bestond het LLNL-onderzoeksteam uit co-auteurs Benjamin Bachmann, Laurent Devol, Otto Landin, Michael McDonald, Alison Saunders en Phil Stern.

Het baanbrekende onderzoek was het resultaat van een internationale samenwerking om Thomson-röntgenverstrooiing bij NIF te ontwikkelen als onderdeel van het Science Discovery Program bij LLNL. Tot de medewerkers behoorden wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory, University of California Berkeley, University of Rostock (Duitsland),[{” attribute=””>University of Warwick (U.K.), GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research (Germany), Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (Germany), University of Lyon (France), Los Alamos National Laboratory, Imperial College London (U.K.) and First Light Fusion Ltd. (U.K.).