Förhållandena i vårt enorma universum kan vara mycket olika. De våldsamma fall av himmelkroppar lämnar ärr på planeten. Kärnreaktioner i hjärtan av stjärnor genererar enorma mängder energi. Jättexplosioner kommer att katapultämne långt in i rymden. Men hur exakt fortsätter processer som dessa? Vad berättar de om universum? Kan deras makt användas till gagn för mänskligheten?
För att ta reda på det har forskare vid SLAC National Accelerator Laboratory genomfört sofistikerade experiment och datorsimuleringar som återskapar de hårda rymdförhållandena på laboratoriets mikroskala.
"Området för astrofysik i laboratoriet växer i snabb takt och drivs av ett antal tekniska genombrott," säger Siegfried Glenzer, chef för divisionen för vetenskap med hög energitäthet vid SLAC.”Vi har nu kraftfulla lasrar för att skapa extrema tillstånd av materia, avancerade röntgenkällor för att analysera dessa tillstånd på atomnivå och högpresterande superdatorer för komplexa simuleringar som styr och hjälper till att förklara våra experiment. Med stora möjligheter i dessa områden, blir SLAC en särskilt bördig grund för denna typ av forskning.”
Tre nya studier som belyser detta tillvägagångssätt inbegriper meteor strejker, gigantiska planetkärnor och kosmiska partikelacceleratorer som är miljoner gånger kraftigare än Large Hadron Collider, den största partikelacceleratorn på jorden.
Kosmiska "prydnadssaker" indikerar meteorer
Det är känt att högt tryck kan förvandla den mjuka formen av kol - grafit, som används som bly - till en extremt tung form av kol, diamant. Kan detta hända om en meteor träffar grafit på marken? Forskare tror att de kan och att dessa fall faktiskt kan vara tillräckligt kraftfulla för att producera det som kallas lonsdaleite, en speciell form av diamant som är ännu starkare än en vanlig diamant.
"Förekomsten av lonsdaleite har ifrågasatts, men nu har vi funnit tvingande bevis för detta," säger Glenzer, huvudutredare för tidningen, publicerad i mars i Nature Communications.
Kampanjvideo:
Forskarna värmde upp ytan på grafiten med en kraftfull optisk laserpuls, som skickade en chockvåg in i provet och komprimerade den snabbt. Genom att lysa ljusa, ultrasnabba LCLS-röntgenstrålningar genom källan kunde forskarna se hur chocken förändrade den grafiska atomstrukturen.
"Vi såg lonsdaleite-form i några grafitprover på några miljarder sekund och vid ett tryck av 200 gigapascaler (2 miljoner gånger atmosfärstrycket vid havsnivån)," säger huvudförfattaren Dominik Krautz från det tyska Helmholtz Center, baserat i Kalifornien. Universitetet i Berkeley vid tidpunkten för forskning. "Dessa resultat stöder starkt idén att våldsamma effekter kan syntetisera denna form av diamant, och detta i sin tur kan hjälpa oss att identifiera meteorpåverkningsplatser."
Jätteplaneter förvandlar väte till metall
En andra studie, som nyligen publicerades i Nature Communications, tittar på en annan viktig omvandling som kunde ha ägt rum i gigantiska gasplaneter som Jupiter, vars inre huvudsakligen är flytande väte: vid hög temperatur och tryck skiftar detta material från "normalt", elektriskt isolerande tillstånd till metalliskt, ledande.
"Att förstå denna process ger nya detaljer om planetbildning och solsystemets utveckling", säger Glenzer, som också var en av de viktigaste utredarna av arbetet. "Även om en sådan övergång redan förutspåddes på 1930-talet öppnade vi aldrig ett direkt fönster mot atomprocesser."
Det vill säga det öppnades inte förrän Glenzer och hans kolleger forskare genomförde ett experiment på Livermore National Laboratory (LLNL), där de använde en Janus-laser med hög effekt för att snabbt pressa och värma ett prov av flytande deuterium, en tung form av väte och skapa ett röntgenbrist., som avslöjade konsekventa strukturförändringar i provet.
Forskare har sett att över ett tryck på 250 000 atmosfärer och en temperatur på 7 000 grader Fahrenheit förändras deuterium från en neutral isolerande vätska till en joniserad metallvätska.
"Datorsimuleringar visar att övergången sammanfaller med separationen av två atomer, vanligtvis bundna i deuteriummolekyler," säger huvudförfattaren Paul Davis, en doktorand vid University of California, Berkeley i skrivande stund. "Tydligen, trycket och temperaturen på den laserinducerade chockvågen rivar molekylerna isär, deras elektroner blir obundna och kan leda elektricitet."
Förutom planetvetenskap kan denna forskning också hjälpa forskning som syftar till att använda deuterium som kärnbränsle för termonukleära reaktioner.
Hur man bygger en rymdaccelerator
Det tredje exemplet på ett extremt universum, ett universum "på randen", är oerhört kraftfulla rymdpartikelacceleratorer - nära supermassiva svarta hål, till exempel - som strömmar av joniserad gas, plasma, hundratusentals ljusår ut i rymden. Energin i dessa strömmar och deras elektromagnetiska fält kan omvandlas till otroligt energiska partiklar som producerar mycket korta men intensiva skurar av gammastrålar som kan upptäckas på jorden.
Forskare skulle vilja veta hur dessa energiacceleratorer fungerar, eftersom det kommer att hjälpa till att förstå universum. Dessutom skulle nya idéer för att bygga kraftfullare acceleratorer kunna dras av detta. När allt kommer omkring är partikelacceleration kärnan i många grundläggande fysiska experiment och medicinska apparater.
Forskare tror att en av de viktigaste drivkrafterna bakom rymdacceleratorer kan vara "magnetisk återanslutning" - en process där magnetfältlinjer i en plasma bryts upp och ansluter igen på ett annat sätt, vilket frigör magnetisk energi.
"Magnetisk återanslutning har tidigare observerats i laboratoriet, till exempel i experiment med kollision av två plasmor som skapades med högkraftslasrar," säger Frederico Fiutsa, en forskare vid High Energy Density Science Division och huvudutredare för det teoretiska uppsatsen som publicerades i mars i Physical Review Letters. … Inte desto mindre har inget av dessa laserexperiment observerat icke-termisk acceleration av partiklar - acceleration som inte är förknippad med plasmavärme. Vårt arbete visar att med en viss design bör våra experiment se det."
Hans team körde en serie datorsimuleringar som förutspådde hur plasmapartiklar borde agera i sådana experiment. De allvarligaste beräkningarna, baserade på 100 miljarder partiklar, krävde över en miljon CPU-timmar och över en terabyte minne på Mira-superdatorn vid Argonne National Laboratory.
"Vi har identifierat nyckelparametrar för de nödvändiga detektorerna, inklusive energiområdet i vilket de kommer att arbeta, den erforderliga energilösningen och platsen i experimentet," säger huvudförfattaren Samuel Totorika, en doktorand vid Stanford University. "Våra resultat representerar ett recept för att utforma framtida experiment som vill veta hur partiklar får energi från magnetisk återanslutning."
