Вещество внутри планет-гигантов и некоторых относительно холодных звезд сильно сжато под действием веса вышележащих слоев. Создаваемые экстремальные давления достаточно сильны, чтобы заряжать атомы и генерировать свободные электроны в процессе, известном как ионизация. Материальные свойства такого вещества в основном определяются степенью ионизации атомов. В то время как ионизация в горящих звездах в первую очередь определяется температурой, в более холодных звездных объектах преобладает ионизация, обусловленная давлением. Однако этот процесс изучен недостаточно хорошо, и требуемые экстремальные состояния материи очень трудно создать в лаборатории, что ограничивает возможности прогнозирования, необходимые для моделирования небесных объектов.

Экстремальные условия также возникают в экспериментах по термоядерному синтезу с использованием лазера, когда атомы водорода при высоких давлениях и температурах сплавляются с гелием, более тяжелым элементом. Этот процесс был объявлен неограниченным источником энергии, не содержащим углерода, за счет использования большого избытка энергии, вырабатываемой в результате термоядерных реакций, для выработки электроэнергии. Прогресс в решении этой грандиозной научной задачи в значительной степени зависит от численного моделирования, и баланс ионизации в системах высокого давления имеет центральное значение.

Единственный способ изучить этот сложный процесс в лаборатории - динамически сжимать вещество до экстремальных плотностей, что требует очень больших затрат энергии за очень короткое время. В новом эксперименте, опубликованном сегодня в Nature, ученые проделали именно это, используя самый большой и энергоемкий лазер в мире - National Ignition Facility (NIF). Благодаря своим исследованиям в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL), США, команда ученых получила новое представление о сложном процессе ионизации под давлением на планетах-гигантах и звездах. Они исследовали свойства и поведение вещества при экстремальном сжатии, что имеет важное значение для астрофизики и исследований ядерного синтеза.

Международная исследовательская группа использовала NIF для создания экстремальных условий, необходимых для ионизации под давлением. Они сфокусировали 184 лазерных луча на полости, преобразуя лазерную энергию в рентгеновские лучи, которые нагревали 2-миллиметровую металлическую оболочку, расположенную в центре. Поскольку внешняя часть оболочки быстро расширялась из-за нагрева, внутренняя часть была вытеснена внутрь, достигнув температуры около двух миллионов Кельвинов (1,9 миллиона градусов Цельсия) и давления до трех миллиардов атмосфер, создав крошечный кусочек вещества, который можно найти в карликовых звездах, всего за несколько наносекунд.

Затем сильно сжатая металлическая оболочка (изготовленная из бериллия) была проанализирована с помощью рентгеновских лучей, чтобы выявить ее плотность, температуру и электронную структуру. Результаты показали, что после сильного нагрева и сжатия по меньшей мере три из четырех электронов в бериллии перешли в проводящее состояние, то есть они могут двигаться независимо от ядерных ядер атомов. Кроме того, исследование выявило неожиданно слабое упругое рассеяние рентгеновских лучей, указывающее на уменьшенную локализацию оставшегося электрона, что является новой стадией незадолго до того, как все электроны станут свободными, и, таким образом, раскрывает пути к полностью ионизированному состоянию.

Физик LLNL Тило Доппнер, возглавлявший проект, сказал: "Воссоздав экстремальные условия, подобные тем, что существуют внутри планет-гигантов и звезд, мы смогли наблюдать изменения в свойствах материала и электронной структуре, которые не улавливаются современными моделями. Наша работа открывает новые возможности для изучения и моделирования поведения вещества при экстремальном сжатии. Ионизация в плотной плазме является ключевым параметром, поскольку она влияет на уравнение состояния, термодинамические свойства и перенос излучения через непрозрачность."

Доцент Дирк Герике, физический факультет Уорикского университета, добавил: "Создание и диагностика этих экстремальных давлений в лаборатории дает бесценный ориентир для наших теоретических моделей. Улучшенные возможности прогнозирования срочно необходимы не только для астрофизики, но и для дальнейшего прогресса в направлении управляемого ядерного синтеза, который позволил бы использовать источник энергии звезд для человечества".

Новаторское исследование стало результатом международного сотрудничества по разработке рентгеновского томсоновского рассеяния в NIF в рамках научной программы LLNL Discovery Science. Среди соавторов были ученые из Университета Ростока (Германия), Университета Уорика (Великобритания), Центра исследований тяжелых ионов им. Гельмгольца GSI (Германия), Калифорнийского университета в Беркли, Национальной ускорительной лаборатории SLAC, Дрезденского центра Гельмгольца-Россендорфа (Германия), Лионского университета (Франция), Лос-Аламосской национальной лаборатории, Имперский колледж Лондона (Великобритания) и First Light Fusion Ltd. (Великобритания).