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

Los científicos realizaron experimentos de laboratorio en la Instalación Nacional de Ignición en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore que generaron la intensa presión necesaria para la ionización a presión. Su investigación proporciona nuevos conocimientos sobre la física atómica a presiones de gigabytes, que son beneficiosas para la astrofísica y la investigación de la fusión nuclear. Crédito: Ilustración 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 simular y estudiar la ionización por presión, un proceso vital para comprender la estructura de los planetas y las estrellas. La investigación ha revelado propiedades inesperadas de la materia altamente comprimida y tiene implicaciones importantes para la astrofísica y la investigación de la fusión nuclear.

Los científicos han llevado a cabo experimentos de laboratorio en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) que proporcionan nuevos conocimientos sobre el complejo proceso de ionización inducida por presión en estrellas y planetas gigantes. Su investigación fue publicada el 24 de mayo en naturalezarevela las propiedades de los materiales y el comportamiento de la materia bajo presión extrema, ofreciendo importantes implicaciones para la astrofísica y la investigación de la fusión nuclear.

«Si se pueden recrear las condiciones que ocurren en un cuerpo astral, se puede decir realmente lo que sucede dentro de él», dijo el colaborador Siegfried Glenzer, director de la División de Alta Densidad de Energía en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del DOE. «Es como poner un termómetro en una estrella y medir su temperatura y lo que esas condiciones le hacen a los átomos dentro de la materia. Puede enseñarnos nuevas formas de procesar la materia para fuentes de energía de fusión».

El equipo de investigación internacional utilizó el láser más grande y energético del mundo, la Instalación Nacional de Ignición (NIF), para generar las condiciones extremas necesarias para la ionización a presión. Usando 184 rayos láser, el equipo calentó el interior de la cavidad, convirtiendo la energía del láser en rayos X que calientan una capa de berilio de 2 milímetros de diámetro colocada en el centro. A medida que la superficie exterior del caparazón se expandía rápidamente debido al calor, el interior se aceleraba hacia adentro, alcanzando temperaturas de aproximadamente dos millones de Kelvin y presiones de tres mil millones de atmósferas, creando una pequeña porción de materia como la que se encuentra en las estrellas enanas durante unos nanosegundos en un laboratorio. .

La muestra de berilio altamente comprimible, con una densidad hasta 30 veces mayor que la del sólido circundante, se investigó utilizando la dispersión de rayos X de Thomson para inferir su densidad, temperatura y estructura electrónica. Los resultados revelaron que después de un fuerte calentamiento y presión, al menos tres de cada cuatro electrones en el berilio pasaron a estados conductores. Además, el estudio reveló una dispersión elástica inesperadamente débil, lo que indica una baja localización de electrones residuales.

El material en el interior de los planetas gigantes y algunas estrellas relativamente frías se comprime fuertemente por el peso de las capas superiores. A presiones tan altas, debido a la alta presión, la proximidad de los núcleos atómicos conduce a interacciones entre los estados de enlace electrónico de los iones vecinos y, finalmente, a su ionización completa. Mientras que la ionización en las estrellas en llamas está determinada principalmente por la temperatura, la ionización debida a la presión domina en los objetos más fríos.

Aunque es importante para la estructura y evolución de los cuerpos celestes, la ionización por presión como vía para la materia altamente ionizada es poco conocida teóricamente. Además, los estados extremos de la materia requeridos son difíciles de crear y estudiar en el laboratorio, dijo el físico del LLNL Tilo Dubner, quien dirigió el proyecto.

«Al recrear condiciones extremas similares a las que se encuentran dentro de los planetas y estrellas 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 Dubner. «Nuestro trabajo abre nuevos horizontes para estudiar y modelar el comportamiento de la materia bajo presión extrema. La ionización en plasma denso es un factor clave porque afecta la ecuación de estado, las propiedades termodinámicas y el transporte de radiación a través de la opacidad».

La investigación también tiene implicaciones importantes para los experimentos de fusión de autoconfinamiento en NIF, donde la absorción de rayos X y la sintonizabilidad son factores clave para optimizar los experimentos de fusión de alto rendimiento. Una comprensión integral de la ionización debido a la presión y la temperatura es esencial para modelar materiales comprimidos y, en última instancia, para desarrollar una fuente de energía abundante y libre de carbono a través de la fusión nuclear impulsada por láser, dijo Dubner.

«Las capacidades únicas de la Instalación Nacional de Ignición no tienen paralelo. Solo hay un lugar en la Tierra donde podemos crear, estudiar y monitorear la intensa compresión de los núcleos planetarios y los interiores estelares en el laboratorio, y eso es en el láser más grande del mundo», dijo. Bruce Remington, programa NIF Discovery Science y el más activo. líder. «Sobre la base de investigaciones anteriores en NIF, este trabajo amplía los límites de la astrofísica de laboratorio».

Referencia: «Observación del inicio de la deslocalización de la capa K debido a la presión» por T. Döppner, M. Bethkenhagen, D. Kraus, P. Neumayer, DA Chapman, B. Bachmann, RA Baggott, MP Böhme, L. Divol, y RW 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, Disponible aquí. naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-023-05996-8

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

La investigación pionera fue el resultado de una colaboración internacional para desarrollar la dispersión de rayos X de Thomson en NIF como parte del Programa Science Discovery en LLNL. Los colaboradores incluyeron científicos del SLAC National Accelerator Laboratory, University of California Berkeley, University of 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.).

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