实验室极端压力下恒星物质的秘密首次揭晓

科学家们在劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置进行了实验室实验，产生了压力驱动电离所必需的极端压缩。他们的研究为千兆压力下的原子物理学提供了新的见解，这有利于天体物理学和核聚变研究。图片来源:Greg Stewart/SLAC国家加速器实验室;插图:Jan Vorberger/Helmholtz-Zentrum dresden - rosendorf

一个由罗斯托克大学和赫姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫中心(HZDR)的科学家组成的研究小组已经完成了这项研究在劳伦斯利弗莫尔国家实验室进行了实验为压力驱动io的复杂过程提供了新的见解在巨大的行星和恒星中。他们的研究发表在5月24日的《科学》杂志上自然，揭示了物质在极端压缩下的材料特性和行为，提供了一种新的方法对天体物理学和核聚变研究的重要意义。

这个国际研究小组利用世界上最大、能量最高的激光——国家点火装置(NIF)，产生了压力驱动电离所必需的极端条件。通过使用184个激光束，研究小组加热了一个腔的内部，将激光能量转化为x射线，然后加热了放置在中心的直径2毫米的铍壳。由于加热，外壳的外部迅速膨胀，内部加速向内，达到200万开尔文左右的温度和高达30亿个大气压的压力，在实验室中产生了一种微小的物质，就像在矮星中发现的那样，持续了几纳秒。

高度压缩的铍样品，高达其周围固体密度的30倍，用x射线汤姆逊散射来探测它的密度，温度和电子结构。研究结果表明，在强烈加热和压缩之后，铍中至少有四分之三的电子转变为导电状态。此外，该研究发现了出乎意料的弱弹性散射，表明剩余电子的局部化程度降低。

巨行星和一些相对较冷的恒星内部的物质被上面的层的重量高度压缩。在如此高的压力下，由高压缩产生，原子核的接近导致相邻离子的电子束缚态之间的相互作用，并最终导致它们完全电离。在燃烧的恒星中，电离主要是由温度决定的，而在温度较低的天体中，由压力驱动的电离占主导地位。

“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传输到外部至关重要。“如果这受到太严格的限制，它就会在天体中变得动荡，就像平底锅一样，”多米尼克·克劳斯解释说，他在项目开始时仍在加州工作，现在是罗斯托克大学的物理学教授和HZDR的小组组长。“如果太动荡，我们所知道的生命可能不可能在小恒星的近轨道上存在。”

尽管压力电离对天体的结构和演化很重要，但从理论上讲，压力电离作为高电离物质的途径还没有得到很好的理解。此外，所需物质的极端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Tilo D?ppner校友说。“我们的工作为研究和模拟极端压缩下物质的行为开辟了新的途径。致密等离子体中的电离是一个关键参数，因为它影响状态方程、热力学性质和通过不透明的辐射传输。

该研究还对NIF的惯性约束聚变实验具有重要意义，其中x射线吸收和压缩率是优化高性能聚变实验的关键参数。D?ppner补充说，全面了解压力和温度驱动的电离对于模拟压缩材料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罗纳德·雷德默(Ronald Redmer)报告说:“罗斯托克大学和赫姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫中心的博士生的奉献工作也使突破性的结果成为可能，其中一些人已经在加州的NIF完成了研究。”“从复杂的实验装置和所研究的等离子体状态的建模中评估结果是非常复杂的，需要大量的计算能力。我们花了好几年的时间才得出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进一步了解数十亿大气压下的物质。来自罗斯托克大学和赫姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫中心的科学家们，在位于斯舍菲尔德的欧洲自由电子激光器的亥姆霍兹国际极端场光束线(HIBEF)的帮助下，希望在更小的范围内实现类似的条件。这将使比目前在NIF可能进行的实验多得多。

有关这项研究的更多信息，请参阅世界上最强大的激光揭开了恒星中压力驱动电离和核聚变的秘密。

参考文献:“观察压力驱动的k壳离定的开始”，作者:T. D?ppner, M. Bethkenhagen, D. Kraus, P. Neumayer, D. A. Chapman, B. Bachmann, R. A. Baggott, M. P. B?hme, L. Divol, R. W. Falcone, L. B. Fletcher, O. L. Landen, M. J. MacDonald, A. M. Saunders, M. Sch?rner, P. A. Sterne, J. Vorberger, B. B. L. Witte, A. Yi, R. Redmer, S. H. Glenzer和D. O. Gericke, 2023年5月24日，Nature。DOI: 10.1038 / s41586 - 023 - 05996 - 8

作为LLNL发现科学计划的一部分，这项开创性的研究是在NIF开发x射线汤姆逊散射的国际合作的结果。合作者包括SLAC国家加速器实验室、加州大学伯克利分校、罗斯托克大学(德国)、华威大学(英国)、GSI亥姆霍兹重离子研究中心(德国)、亥姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫中心(德国)、école normale supsamrieure de Lyon(法国)、洛斯阿拉莫斯国家实验室、伦敦帝国理工学院(英国)和First Light Fusion Ltd.(英国)的科学家。

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