Forholdene i vores enorme univers kan være meget forskellige. De voldelige fald af himmellegemer efterlader ar på planets overflade. Atomreaktioner i hjertene af stjerner genererer enorme mængder energi. Kæmpe eksplosioner vil katapult materie langt ud i rummet. Men hvordan fortsætter processer som disse? Hvad fortæller de os om universet? Kan deres magt bruges til gavn for menneskeheden?
For at finde ud af det har forskere ved SLAC National Accelerator Laboratory udført sofistikerede eksperimenter og computersimuleringer, der genskaber de barske pladsforhold på laboratoriets mikroskala.
”Området for laboratorieastrofysik vokser hurtigt og er drevet af en række teknologiske gennembrud,” siger Siegfried Glenzer, leder af divisionen for videnskab med høj energitæthed hos SLAC.”Vi har nu kraftfulde lasere til at skabe ekstreme tilstande af stof, avancerede røntgenkilder til at analysere disse tilstande på atomniveau og højtydende supercomputere til komplekse simuleringer, der guider og hjælper med at forklare vores eksperimenter. Med store muligheder i disse områder er SLAC ved at blive en særlig frugtbar grund for denne form for forskning.”
Tre nylige studier, der fremhæver denne tilgang, involverer meteor strejker, gigantiske planetkerner og kosmiske partikelacceleratorer, som er millioner gange stærkere end Large Hadron Collider, den største partikelaccelerator på Jorden.
Kosmiske "pynting" angiver meteorer
Det er kendt, at højt tryk kan omdanne den bløde form for kulstof - grafit, der bruges som bly - til en ekstremt tung form af kulstof, diamant. Kan dette ske, hvis en meteor rammer grafit på jorden? Forskere mener, at de kan, og at disse fald faktisk kunne være kraftige nok til at producere det, der kaldes lonsdaleite, en speciel form for diamant, der er endnu stærkere end en almindelig diamant.
"Lonsdaleites eksistens er blevet bestridt, men nu har vi fundet overbevisende beviser for dette," siger Glenzer, hovedundersøger for papiret, der blev offentliggjort i marts i Nature Communications.
Salgsfremmende video:
Forskerne opvarmede overfladen af grafitten med en kraftig optisk laserpuls, der sendte en chokbølge ind i prøven og hurtigt komprimerede den. Ved at skinne lyse, ultrahurtige LCLS-røntgenbilleder gennem kilden, var forskerne i stand til at se, hvordan chokeret ændrede grafitens atomstruktur.
”Vi så lonsdaleite-form i nogle grafitprøver i nogle få milliarddele af et sekund og ved 200 gigapascals (2 millioner gange det atmosfæriske tryk ved havoverfladen),” siger hovedforfatter Dominik Krautz fra det tyske Helmholtz Center, der arbejdede i Californien. Universitet i Berkeley på forskningstidspunktet. "Disse resultater understøtter stærkt tanken om, at voldelige påvirkninger kan syntetisere denne form for diamant, og dette kan igen hjælpe os med at identificere meteorpåvirkningssteder."
Kæmpe planeter forvandler brint til metal
Den anden undersøgelse, der for nylig blev offentliggjort i Nature Communications, ser på en anden vigtig transformation, der kunne have fundet sted inden i kæmpe gasplaneter som Jupiter, hvis indre hovedsageligt er flydende brint: ved høj temperatur og tryk skifter dette materiale fra "normalt", elektrisk isolerende tilstand i metallisk, ledende.
”At forstå denne proces giver nye detaljer om planetarisk dannelse og udviklingen af solsystemet,” siger Glenzer, der også var en af de vigtigste efterforskere af arbejdet. "Selvom en sådan overgang allerede var forudsagt i 1930'erne, åbnede vi aldrig et direkte vindue til atomiske processer."
Dvs., som afslørede konsistente strukturelle ændringer i prøven.
Forskere har set, at over et tryk på 250.000 atmosfærer og en temperatur på 7.000 grader Fahrenheit ændrer deuterium sig fra en neutral isolerende væske til en ioniseret metallisk.
"Computersimuleringer viser, at overgangen falder sammen med adskillelsen af to atomer, som normalt er bundet sammen i deuteriummolekyler," siger hovedforfatter Paul Davis, en kandidatstuderende ved University of California, Berkeley på dette tidspunkt. "Tilsyneladende ripper trykket og temperaturen på den laserinducerede chokbølge molekylerne fra hinanden, deres elektroner bliver ubundne og kan lede elektricitet."
Ud over planetvidenskab kunne denne forskning også hjælpe med forskning, der sigter mod at bruge deuterium som nukleart brændstof til termonukleære reaktioner.
Sådan bygger du en rumaccelerator
Det tredje eksempel på et ekstremt univers, et univers "på randen", er utroligt kraftige rumpartikelacceleratorer - i nærheden af supermassive sorte huller, for eksempel - der spreder strømme af ioniseret gas, plasma, hundreder af tusinder af lysår ud i rummet. Energien indeholdt i disse strømme og deres elektromagnetiske felter kan omdannes til utroligt energiske partikler, der producerer meget korte, men intense udbrud af gammastråler, der kan detekteres på Jorden.
Forskere vil gerne vide, hvordan disse energiacceleratorer fungerer, da det vil hjælpe med at forstå universet. Derudover kunne friske ideer til bygning af mere kraftfulde acceleratorer trækkes ud af dette. Når alt kommer til alt er partikelacceleration kernen i mange grundlæggende fysiske eksperimenter og medicinsk udstyr.
Forskere mener, at en af de vigtigste drivkræfter bag rumacceleratorer kunne være "magnetisk genforbindelse" - en proces, hvor magnetfeltledninger i et plasma bryder sammen og forbindes igen på en anden måde og frigiver magnetisk energi.
”Magnetisk tilslutning er tidligere blevet observeret i laboratoriet, for eksempel i eksperimenter med kollisionen af to plasmaer, der blev oprettet ved hjælp af lasere med høj effekt,” siger Frederico Fiuza, en videnskabsmand ved High Energy Density Science Division og hovedundersøgelse af det teoretiske papir, der blev offentliggjort i Physical Review Letters i marts. …”Ikke desto mindre har ingen af disse lasereksperimenter observeret nonthermal acceleration af partikler - acceleration, der ikke er forbundet med plasmaopvarmning. Vores arbejde viser, at vores eksperimenter med et bestemt design skulle se det."
Hans team kørte en række computersimuleringer, der forudsagde, hvordan plasmapartikler skulle opføre sig i sådanne eksperimenter. De mest seriøse beregninger, der er baseret på 100 milliarder partikler, krævede over en million CPU-timer og over en terabyte hukommelse på Mira-supercomputeren på Argonne National Laboratory.
”Vi har identificeret nøgleparametre for de krævede detektorer, herunder det energiområde, hvori de vil fungere, den krævede energiopløsning og placeringen i eksperimentet,” sagde hovedforfatter Samuel Totorika, en kandidatstuderende ved Stanford University. "Vores resultater repræsenterer en opskrift på at designe fremtidige eksperimenter, der vil vide, hvordan partikler får energi fra magnetisk genforbindelse."
