De omstandigheden in ons uitgestrekte universum kunnen heel verschillend zijn. De gewelddadige val van hemellichamen laat littekens achter op het oppervlak van planeten. Kernreacties in de harten van sterren wekken enorme hoeveelheden energie op. Gigantische explosies zullen materie ver de ruimte in katapulteren. Maar hoe verlopen dit soort processen precies? Wat vertellen ze ons over het universum? Kan hun kracht worden gebruikt ten behoeve van de mensheid?
Om erachter te komen, hebben wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory geavanceerde experimenten en computersimulaties uitgevoerd die de barre omstandigheden in de ruimte op microschaal van het laboratorium nabootsen.
"Het gebied van laboratorium-astrofysica groeit in een snel tempo en wordt gevoed door een aantal technologische doorbraken", zegt Siegfried Glenzer, hoofd van de wetenschappelijke afdeling voor hoge energiedichtheid bij SLAC. “We hebben nu krachtige lasers voor het creëren van extreme toestanden van materie, geavanceerde röntgenbronnen om deze toestanden op atomair niveau te analyseren, en krachtige supercomputers voor complexe simulaties die onze experimenten begeleiden en helpen verklaren. Met enorme kansen op deze gebieden, wordt SLAC een bijzonder vruchtbare voedingsbodem voor dit soort onderzoek."
Drie recente studies die deze benadering benadrukken, hebben betrekking op meteoorinslagen, gigantische planeetkernen en kosmische deeltjesversnellers die miljoenen keren krachtiger zijn dan de Large Hadron Collider, de grootste deeltjesversneller op aarde.
Kosmische "snuisterijen" duiden op meteoren
Het is bekend dat hoge druk de zachte vorm van koolstof - grafiet, dat als lood wordt gebruikt - kan transformeren in een extreem zware vorm van koolstof, diamant. Zou dit kunnen gebeuren als een meteoor grafiet op de grond raakt? Wetenschappers geloven dat ze dat kunnen, en dat deze valpartijen in feite krachtig genoeg kunnen zijn om te produceren wat ze lonsdaleiet noemen, een speciale vorm van diamant die zelfs sterker is dan een gewone diamant.
"Het bestaan van lonsdaleite is betwist, maar nu hebben we hiervoor overtuigend bewijs gevonden", zegt Glenzer, hoofdonderzoeker van het artikel, dat in maart in Nature Communications werd gepubliceerd.
Promotie video:
De wetenschappers verwarmden het oppervlak van het grafiet met een krachtige optische laserpuls, die een schokgolf in het monster stuurde en het snel comprimeerde. Door heldere, ultrasnelle LCLS-röntgenstralen door de bron te laten schijnen, konden de wetenschappers zien hoe de schok de atomaire structuur van het grafiet veranderde.
"We zagen de vorm van lonsdaleiet in sommige grafietmonsters in een paar miljardsten van een seconde en bij 200 gigapascal (2 miljoen keer de atmosferische druk op zeeniveau)", zegt hoofdauteur Dominik Krautz van het Duitse Helmholtz Center, die in Californië werkte. Universiteit van Berkeley op het moment van onderzoek. "Deze resultaten ondersteunen sterk het idee dat gewelddadige inslagen deze vorm van diamant kunnen synthetiseren, en dit kan ons op zijn beurt helpen bij het identificeren van meteoorinslagen."
Reuzenplaneten veranderen waterstof in metaal
De tweede studie, onlangs gepubliceerd in Nature Communications, kijkt naar een andere belangrijke transformatie die had kunnen plaatsvinden in gigantische gasplaneten zoals Jupiter, waarvan het inwendige voornamelijk vloeibare waterstof is: bij hoge temperatuur en druk verschuift dit materiaal van 'normaal', elektrisch isolerende toestand in metalen, geleidend.
"Het begrijpen van dit proces levert nieuwe details op over de vorming van planeten en de evolutie van het zonnestelsel", zegt Glenzer, die ook een van de belangrijkste onderzoekers van het werk was. "Hoewel een dergelijke overgang al in de jaren dertig werd voorspeld, hebben we nooit een direct venster geopend op atomaire processen."
Dat wil zeggen, ze gingen pas open toen Glenzer en zijn collega-wetenschappers een experiment uitvoerden in het Livermore National Laboratory (LLNL), waar ze een krachtige Janus-laser gebruikten om snel een monster vloeibaar deuterium, een zware vorm van waterstof, samen te persen en te verwarmen en een flits van röntgenstraling te creëren., die consistente structurele veranderingen in de steekproef aan het licht brachten.
Wetenschappers hebben gezien dat boven een druk van 250.000 atmosfeer en een temperatuur van 7.000 graden Fahrenheit, deuterium verandert van een neutrale isolatievloeistof in een geïoniseerde metalen vloeistof.
"Computersimulaties laten zien dat de overgang samenvalt met de scheiding van twee atomen, meestal aan elkaar gebonden in deuteriummoleculen", zegt hoofdauteur Paul Davis, een afgestudeerde student aan de University of California, Berkeley op het moment van schrijven. "Blijkbaar scheuren de druk en temperatuur van de lasergeïnduceerde schokgolf de moleculen uit elkaar, hun elektronen worden ongebonden en kunnen elektriciteit geleiden."
Naast planetaire wetenschap zou dit onderzoek ook onderzoek kunnen ondersteunen dat gericht is op het gebruik van deuterium als nucleaire brandstof voor thermonucleaire reacties.
Hoe een ruimteversneller te bouwen
Het derde voorbeeld van een extreem universum, een universum "op de rand", zijn ongelooflijk krachtige deeltjesversnellers - in de buurt van superzware zwarte gaten bijvoorbeeld - die stromen geïoniseerd gas, plasma, honderdduizenden lichtjaren de ruimte in spuwen. De energie in deze stromen en hun elektromagnetische velden kan worden omgezet in ongelooflijk energetische deeltjes, die zeer korte maar intense uitbarstingen van gammastraling produceren die op aarde kunnen worden gedetecteerd.
Wetenschappers zouden graag willen weten hoe deze energieversnellers werken, omdat ze het universum zullen helpen begrijpen. Bovendien kunnen hieruit nieuwe ideeën worden getrokken om krachtigere versnellers te bouwen. Versnelling van deeltjes vormt tenslotte de kern van veel fundamentele fysische experimenten en medische hulpmiddelen.
Wetenschappers geloven dat een van de belangrijkste drijvende krachten achter ruimteversnellers "magnetische reconnectie" zou kunnen zijn - een proces waarbij magnetische veldlijnen in een plasma uiteenvallen en op een andere manier opnieuw verbinden, waarbij magnetische energie vrijkomt.
"Magnetische herverbinding is eerder waargenomen in het laboratorium, bijvoorbeeld bij experimenten met de botsing van twee plasma's die zijn gemaakt met behulp van krachtige lasers", zegt Frederico Fiutsa, een wetenschapper bij de High Energy Density Science Division en hoofdonderzoeker van het theoretische artikel dat in maart in Physical Review Letters werd gepubliceerd. … “Niettemin heeft geen van deze laserexperimenten een niet-thermische versnelling van deeltjes waargenomen - versnelling die niet geassocieerd is met plasmawarmte. Ons werk laat zien dat onze experimenten dat met een bepaald ontwerp zouden moeten zien."
Zijn team voerde een reeks computersimulaties uit die voorspelden hoe plasmadeeltjes zich bij dergelijke experimenten zouden moeten gedragen. De meest serieuze berekeningen, gebaseerd op 100 miljard deeltjes, vereisten meer dan een miljoen CPU-uren en meer dan een terabyte aan geheugen op de Mira-supercomputer van het Argonne National Laboratory.
"We hebben de belangrijkste parameters voor de vereiste detectoren geïdentificeerd, inclusief het energiebereik waarin ze werken, de vereiste energieresolutie en de locatie in het experiment", zegt hoofdauteur Samuel Totorika, een afgestudeerde student aan de Stanford University. "Onze resultaten vertegenwoordigen een recept voor het ontwerpen van toekomstige experimenten die willen weten hoe deeltjes energie halen uit magnetische herverbinding."
