Il laser più potente del mondo svela i segreti della ionizzazione risultante dalla pressione nelle stelle e dalla fusione nucleare

Gli scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory hanno utilizzato con successo il laser più potente del mondo per simulare e studiare la ionizzazione a pressione, un processo vitale per comprendere la struttura di pianeti e stelle. La ricerca ha rivelato proprietà inaspettate della materia altamente compressa e ha importanti implicazioni per l’astrofisica e la ricerca sulla fusione nucleare.

Gli scienziati hanno condotto esperimenti di laboratorio presso il Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) che forniscono nuove informazioni sul complesso processo di ionizzazione indotta dalla pressione nei pianeti giganti e nelle stelle. La loro ricerca è stata pubblicata il 24 maggio in naturarivela le proprietà dei materiali e il comportamento della materia sotto pressione estrema, offrendo importanti implicazioni per l’astrofisica e la ricerca sulla fusione nucleare.

“Se riesci a ricreare le condizioni che si verificano in un corpo astrale, puoi effettivamente dire cosa sta succedendo al suo interno”, ha detto il collaboratore Siegfried Glenzer, direttore della High Energy Density Division presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del DOE. “È come mettere un termometro in una stella e misurare la sua temperatura e ciò che queste condizioni fanno agli atomi all’interno della materia. Può insegnarci nuovi modi per elaborare la materia per le fonti di energia di fusione”.

Il team di ricerca internazionale ha utilizzato il laser più grande ed energico del mondo, il National Ignition Facility (NIF), per generare le condizioni estreme necessarie per la ionizzazione a pressione. Utilizzando 184 raggi laser, il team ha riscaldato l’interno della cavità, convertendo l’energia laser in raggi X che riscaldano un guscio di berillio di 2 millimetri di diametro posizionato al centro. Mentre la superficie esterna del guscio si espandeva rapidamente a causa del calore, l’interno accelerava verso l’interno, raggiungendo temperature di circa due milioni di Kelvin e pressioni di tre miliardi di atmosfere, creando un minuscolo frammento di materia come si trova nelle stelle nane per pochi nanosecondi in un laboratorio. .

Il campione di berillio altamente comprimibile, con una densità fino a 30 volte superiore a quella del solido circostante, è stato studiato utilizzando lo scattering di raggi X di Thomson per dedurne la densità, la temperatura e la struttura elettronica. I risultati hanno rivelato che dopo un forte riscaldamento e pressione, almeno tre elettroni su quattro nel berillio sono passati a stati conduttivi. Inoltre, lo studio ha rivelato uno scattering elastico inaspettatamente debole, indicando una bassa localizzazione dell’elettrone residuo.

Il materiale all’interno dei pianeti giganti e di alcune stelle relativamente fredde viene compresso fortemente dal peso degli strati soprastanti. A pressioni così elevate, a causa dell’alta pressione, la vicinanza dei nuclei atomici porta alle interazioni tra gli stati di legame elettronico degli ioni vicini e alla fine alla loro completa ionizzazione. Mentre la ionizzazione nelle stelle in fiamme è determinata principalmente dalla temperatura, la ionizzazione dovuta alla pressione domina negli oggetti più freddi.

Sebbene importante per la struttura e l’evoluzione dei corpi celesti, la ionizzazione a pressione come percorso per la materia altamente ionizzata è poco conosciuta teoricamente. Inoltre, gli stati estremi richiesti della materia sono difficili da creare e studiare in laboratorio, ha affermato il fisico LLNL Tilo Dubner, che ha guidato il progetto.

“Ricreando condizioni estreme simili a quelle che si trovano all’interno di pianeti e stelle giganti, siamo stati in grado di osservare i cambiamenti nelle proprietà dei materiali e nella struttura degli elettroni che non vengono catturati dai modelli attuali”, ha detto Dubner. “Il nostro lavoro apre nuovi orizzonti per studiare e modellare il comportamento della materia sotto pressione estrema. La ionizzazione nel plasma denso è un fattore chiave perché influenza l’equazione di stato, le proprietà termodinamiche e il trasporto della radiazione attraverso l’opacità”.

La ricerca ha anche importanti implicazioni per gli esperimenti di fusione di auto-confinamento al NIF, dove l’assorbimento e la sintonizzazione dei raggi X sono fattori chiave per ottimizzare gli esperimenti di fusione ad alte prestazioni. Una comprensione completa della ionizzazione dovuta alla pressione e alla temperatura è essenziale per modellare i materiali compressi e, in ultima analisi, per sviluppare una fonte di energia abbondante e priva di carbonio tramite la fusione nucleare guidata dal laser, ha affermato Dubner.

“Le capacità uniche della National Ignition Facility non hanno eguali. C’è solo un posto sulla Terra in cui possiamo creare, studiare e monitorare l’intensa compressione dei nuclei planetari e degli interni stellari in laboratorio, ed è il laser più grande del mondo”, ha affermato Bruce Remington, programma NIF Discovery Science, e il più attivo. capo. “Costruendo sulla base di precedenti ricerche presso il NIF, questo lavoro estende i confini dell’astrofisica di laboratorio”.

Riferimento: “Osservazione dell’inizio della delocalizzazione del guscio K dovuta alla pressione” di T. Döppner, M. Bethkenhagen, D. Kraus, P. Neumayer, DA Chapman, B. Bachmann, RA Baggott, MP Böhme, L. Divol, e RW Falcone, LB Fletcher, OL Landen, MJ MacDonald, AM Saunders, M. Schörner, PA Sterne, J. Vorberger, BBL Witte, A. Yi, R. Redmer, SH Glenzer e DO Gericke, 24 maggio 2023, Disponibile Qui. natura.
DOI: 10.1038/s41586-023-05996-8

Guidato da Dubner, il gruppo di ricerca LLNL comprendeva i coautori Benjamin Bachmann, Laurent Devol, Otto Landin, Michael McDonald, Alison Saunders e Phil Stern.

La ricerca pionieristica è stata il risultato di una collaborazione internazionale per sviluppare lo scattering di raggi X Thomson al NIF come parte del Science Discovery Program presso LLNL. Hanno collaborato scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory, University of California Berkeley, University of Rostock (Germania),[{” 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.).