El láser más potente del mundo revela los secretos de la ionización de las estrellas impulsada por la presión y la fusión nuclear

Los científicos realizaron experimentos de laboratorio en la Instalación Nacional de Ignición en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore que produjeron las compresiones extremas necesarias para la ionización impulsada por presión. Su investigación proporciona nuevos conocimientos sobre la física atómica a presiones de gigabytes, lo que beneficia a la investigación en astrofísica y fusión nuclear. Ilustración gráfica de Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory; recuadro de Jan Vorberger/Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore han utilizado con éxito el láser más potente del mundo para modelar y estudiar la ionización impulsada por la presión, que es vital para comprender la estructura de los planetas y las estrellas. La investigación reveló propiedades inesperadas de la materia altamente comprimida y tiene implicaciones significativas tanto para la astrofísica como para la investigación de la fusión nuclear.

Los científicos han realizado experimentos de laboratorio en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) que proporcionan nuevos conocimientos sobre el complejo proceso de ionización impulsada por la presión en estrellas y planetas gigantes. Su investigación, publicada el 24 de mayo Naturalezarevela las propiedades materiales y el comportamiento de la materia bajo compresión extrema, lo que sugiere implicaciones importantes para la astrofísica y la investigación de la fusión nuclear.

«Si puede recrear las condiciones que ocurren en un objeto estelar, puede descubrir qué sucede dentro de él», dijo el colega Siegfried Glenzer, director de la División de Alta Densidad de Energía en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía. “Es como poner un termómetro dentro de una estrella y medir qué tan caliente está y qué le hacen estas condiciones a los átomos dentro del material. Podría enseñarnos nuevas formas de manipular la materia para fuentes de energía de fusión”.

Un equipo de investigación internacional utilizó el láser más grande y potente del mundo, la Instalación Nacional de Ignición (NIF), para crear las condiciones extremas necesarias para la ionización impulsada por presión. Utilizando 184 rayos láser, el equipo calentó el interior de la cavidad, convirtiendo la energía del láser en rayos X que calentaban una película de berilio de 2 mm de diámetro colocada en el centro. A medida que la corteza exterior se expandía rápidamente debido al calentamiento, el interior se aceleraba hacia adentro, alcanzando temperaturas de alrededor de dos millones de Kelvin y presiones de hasta tres mil millones de atmósferas, y creando los diminutos fragmentos de material que se encuentran en las estrellas enanas en unos pocos nanosegundos. laboratorio.

Una muestra altamente comprimida de berilio, hasta 30 veces la densidad sólida del medio ambiente, fue examinada por dispersión de rayos X de Thomson para determinar su densidad, temperatura y estructura electrónica. Los hallazgos revelaron que después de un intenso calentamiento y compresión, al menos tres de los cuatro electrones en el berilio pasaron a estados de conducción. Además, el estudio reveló una dispersión elástica débil inesperada, lo que indica una deslocalización reducida del electrón restante.

El material interior de los planetas gigantes y algunas estrellas relativamente frías está fuertemente comprimido por el peso de las capas superiores. A presiones tan altas, que son causadas por una alta compresión, la proximidad de los núcleos atómicos conduce a la interacción de los estados unidos a los electrones de los iones vecinos y, en última instancia, a su ionización completa. Mientras que la ionización en las estrellas en llamas está determinada principalmente por la temperatura, la ionización impulsada por la presión domina en los objetos más fríos.

A pesar de su importancia para la estructura y evolución de los objetos celestes, la ionización por presión como vía para la materia altamente ionizada no se comprende bien teóricamente. Además, los estados extremos de la materia requeridos son muy difíciles de crear y estudiar en el laboratorio, dijo el físico del LLNL Thilo Doepner, quien dirigió el proyecto.

«Al recrear condiciones tan extremas dentro de estrellas y planetas gigantes, pudimos observar cambios en las propiedades de los materiales y la estructura de los electrones que no son captados por los modelos actuales», dijo Doppner. «Nuestro trabajo abre nuevas formas de estudiar y modelar el comportamiento del material bajo compresión extrema. En plasmas densos, la ionización es un parámetro clave porque afecta la ecuación de estado, las propiedades termodinámicas y el transporte radiativo a través de la opacidad”.

La investigación también tiene implicaciones significativas para los experimentos de fusión por confinamiento inercial en NIF, donde la absorción de rayos X y la compresibilidad son parámetros clave para optimizar los experimentos de fusión de alto rendimiento. Una comprensión integral de la ionización impulsada por la presión y la temperatura es importante para modelar materiales comprimidos y, en última instancia, para crear una fuente de energía abundante y libre de carbono a través de la fusión nuclear láser, dijo Doppner.

“Las capacidades únicas en la Instalación Nacional de Ignición son inigualables. «Solo hay un lugar en la Tierra donde podemos crear una compresión extrema de los núcleos planetarios y los interiores estelares en el laboratorio, estudiarlos y observarlos, y es en el láser más grande y energético del mundo», dijo Bruce Remington, NIF Discovery Science Program. líder «Basado en la base de investigaciones anteriores del NIF, este trabajo supera los límites de la astrofísica de laboratorio».

Referencia. «Observando el inicio de la deslocalización de la capa K impulsada por la presión» T. Dopner, M. Betkenhagen, D. Krauss, p. Neumeier, D. A. Falcone, LB Fletcher, OL Landen, MJ MacDonald, AM Saunders, M. Schörner, PA Sterne, J. Vorberger, BBL Witte, A. Yi, R. Redmer, SH Glenzer y DO Gericke, 24 de mayo de 2023. Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-023-05996-8

Dirigido por Döppner, el equipo de investigación del LLNL incluyó a los coautores Benjamin Bachmann, Laurent Divol, Otto Landen, Michael McDonald, Alison Saunders y Phil Stern.

La investigación pionera fue el resultado de una colaboración internacional para desarrollar la dispersión Thomson de rayos X en NIF como parte del programa Discovery Science de LLNL. Los colaboradores incluyeron científicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC, la Universidad de California, Berkeley, la Universidad de Rostock, Alemania,[{» 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.).