La recherche utilisant le laser le plus énergétique au monde a mis en lumière les propriétés de la matière hautement comprimée – essentielle pour comprendre la structure des planètes et des étoiles géantes, et pour développer la fusion nucléaire contrôlée, un processus qui pourrait récolter de l’énergie sans carbone.
La matière à l’intérieur des planètes géantes et de certaines étoiles relativement froides est fortement comprimée par le poids des couches au-dessus. Les pressions extrêmes générées sont suffisamment fortes pour charger des atomes et générer des électrons libres, dans un processus connu sous le nom d’ionisation. Les propriétés matérielles d’une telle matière sont principalement déterminées par le degré d’ionisation des atomes. Alors que l’ionisation dans les étoiles brûlantes est principalement déterminée par la température, l’ionisation induite par la pression domine dans les objets stellaires furthermore froids. Cependant, ce processus n’est pas bien compris, et les états extrêmes de la matière requis sont très difficiles à créer en laboratoire limitant le pouvoir prédictif nécessaire pour modéliser les objets célestes.
Des conditions extrêmes se produisent également dans les expériences de fusion par laser où des atomes d’hydrogène sont fusionnés sous des pressions et des températures élevées à l’hélium, un élément additionally lourd. Ce processus a été annoncé comme une supply d’énergie illimitée et sans carbone – en utilisant l’énergie excédentaire importante générée par les réactions de fusion pour générer de l’électricité. Les progrès de ce grand défi scientifique dépendent fortement de la modélisation numérique et le bilan d’ionisation dans les systèmes à haute pression est d’une significance capitale.
La seule façon d’étudier ce processus complexe en laboratoire est de comprimer dynamiquement la matière à des densités extrêmes, ce qui nécessite des apports d’énergie très importants en très peu de temps. Dans une nouvelle expérience publiée aujourd’hui dans Mother nature, les scientifiques ont fait exactement cela en utilisant le laser le in addition grand et le plus énergétique au monde, le Countrywide Ignition Facility (NIF). Grâce à leurs recherches au Lawrence Livermore Nationwide Laboratory (LLNL), aux États-Unis, l’équipe fournit de nouvelles informations sur le processus complexe d’ionisation sous l’effet de la pression dans les planètes géantes et les étoiles. Ils ont étudié les propriétés et le comportement de la matière sous compression extrême, offrant des implications importantes pour l’astrophysique et la recherche sur la fusion nucléaire.
L’équipe de recherche internationale a utilisé le NIF pour générer les situations extrêmes nécessaires à l’ionisation sous pression. Ils ont focalisé 184 faisceaux laser sur une cavité, convertissant l’énergie laser en rayons X qui ont chauffé une coque métallique de 2 mm placée au centre. Alors que l’extérieur de la coque se dilatait rapidement en raison du chauffage, l’intérieur était poussé vers l’intérieur – atteignant des températures d’environ deux thousands and thousands de kelvins (1,9 m de degrés Celsius) et des pressions allant jusqu’à trois milliards d’atmosphères – créant un minuscule morceau de matière comme on en trouve dans étoiles naines pendant quelques nanosecondes.
La coque métallique hautement comprimée (faite de béryllium) a ensuite été analysée à l’aide de rayons X pour révéler sa densité, sa température et sa composition électronique. Les résultats ont révélé qu’à la suite d’un chauffage et d’une compression intenses, au moins trois électrons sur quatre du béryllium sont passés à des états conducteurs, c’est-à-dire qu’ils peuvent se déplacer indépendamment des noyaux nucléaires des atomes. De plus, l’étude a découvert une diffusion élastique des rayons X étonnamment faible, indiquant une localisation réduite de l’électron restant, c’est-à-dire une nouvelle étape peu de temps avant que tous les électrons ne deviennent libres et révélant ainsi les voies vers un état entièrement ionisé.
Le physicien du LLNL, Tilo Döppner, qui a dirigé le projet, a déclaré : « En recréant des circumstances extrêmes similaires à celles à l’intérieur des planètes et des étoiles géantes, nous avons pu observer des changements dans les propriétés des matériaux et la construction des électrons qui ne sont pas capturés par les modèles actuels. des pistes pour étudier et modéliser le comportement de la matière sous compression extrême. L’ionisation dans les plasmas denses est un paramètre clé auto elle affecte l’équation d’état, les propriétés thermodynamiques et le transportation du rayonnement à travers l’opacité.
Le professeur agrégé Dirk Gericke, Université de Warwick, Département de physique, a ajouté : « Le fait d’avoir créé et diagnostiqué ces pressions extrêmes en laboratoire donne une référence inestimable pour nos modèles théoriques. Des capacités de prédiction améliorées sont nécessaires de toute urgence non seulement pour l’astrophysique mais aussi pour de nouveaux progrès. vers une fusion nucléaire contrôlée qui permettrait de récolter la source d’énergie des étoiles pour l’humanité.”
La recherche pionnière est le résultat d’une collaboration internationale pour développer la diffusion Thomson des rayons X au NIF dans le cadre du programme Discovery Science du LLNL. Les collaborateurs comprenaient des scientifiques de l’Université de Rostock (Allemagne), de l’Université de Warwick (Royaume-Uni), du GSI Helmholtz Heart for Significant Ion Study (Allemagne), de l’Université de Californie à Berkeley, du SLAC Nationwide Accelerator Laboratory, du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (Allemagne), de l’Université of Lyon (France), Los Alamos National Laboratory, Imperial Higher education London (Royaume-Uni) et First Mild Fusion Ltd. (Royaume-Uni).