Der leistungsstärkste Laser der Welt enthüllt die Geheimnisse der Ionisierung, die durch Druck in Sternen und Kernfusion entsteht

Wissenschaftler führten Laborexperimente in der National Ignition Facility des Lawrence Livermore National Laboratory durch, die den für die Druckionisierung erforderlichen starken Druck erzeugten. Ihre Forschung liefert neue Einblicke in die Atomphysik bei Gigabyte-Druck, die für die Astrophysik und die Kernfusionsforschung von Vorteil sind. Bildnachweis: Illustration von Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory; Einschub von Jan Vorberger/Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

Wissenschaftler am Lawrence Livermore National Laboratory haben den leistungsstärksten Laser der Welt erfolgreich zur Simulation und Untersuchung der Druckionisation eingesetzt, einem Prozess, der für das Verständnis der Struktur von Planeten und Sternen von entscheidender Bedeutung ist. Die Forschung hat unerwartete Eigenschaften hochkomprimierter Materie offenbart und hat wichtige Auswirkungen auf die Astrophysik und die Kernfusionsforschung.

Wissenschaftler haben am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) Laborexperimente durchgeführt, die neue Einblicke in den komplexen Prozess der druckinduzierten Ionisierung in Riesenplaneten und Sternen liefern. Ihre Forschung wurde am 24. Mai veröffentlicht Naturenthüllt die Eigenschaften von Materialien und das Verhalten von Materie unter extremem Druck und bietet wichtige Implikationen für die Astrophysik und die Kernfusionsforschung.

„Wenn man die Bedingungen nachbilden kann, die in einem Astralkörper herrschen, kann man tatsächlich erkennen, was in ihm vorgeht“, sagte Mitarbeiter Siegfried Glenzer, Direktor der Abteilung für hohe Energiedichte am SLAC National Accelerator Laboratory des DOE. „Es ist, als würde man ein Thermometer in einen Stern stecken und seine Temperatur messen und was diese Bedingungen auf die Atome in der Materie auswirken. Es kann uns neue Wege zeigen, Materie für Fusionsenergiequellen zu verarbeiten.“

Das internationale Forschungsteam nutzte den weltweit größten und energiereichsten Laser, die National Ignition Facility (NIF), um die extremen Bedingungen für die Druckionisation zu erzeugen. Mithilfe von 184 Laserstrahlen erhitzte das Team das Innere des Hohlraums und wandelte die Laserenergie in Röntgenstrahlen um, die eine in der Mitte positionierte Berylliumschale mit einem Durchmesser von 2 Millimetern erhitzten. Während sich die äußere Oberfläche der Hülle aufgrund des Temperaturanstiegs schnell ausdehnte, beschleunigte sich das Innere nach innen und erreichte Temperaturen von etwa zwei Millionen Kelvin und Drücke von drei Milliarden Atmosphären, wodurch ein winziges Stück Materie entstand, wie man es in Zwergsternen für ein paar Nanosekunden findet ein Labor.

Die stark komprimierbare Berylliumprobe mit bis zu 30-facher Dichte wie der umgebende Feststoff wurde mithilfe der Thomson-Röntgenstreuung untersucht, um auf ihre Dichte, Temperatur und Elektronenstruktur zu schließen. Die Ergebnisse zeigten, dass nach starker Erwärmung und starkem Druck mindestens drei von vier Elektronen in Beryllium in leitende Zustände übergingen. Darüber hinaus ergab die Studie eine unerwartet schwache elastische Streuung, was auf eine geringe Restelektronenlokalisation hinweist.

Das Material im Inneren von Riesenplaneten und einigen relativ kühlen Sternen wird durch das Gewicht der darüber liegenden Schichten stark komprimiert. Bei solch hohen Drücken führt die Nähe der Atomkerne aufgrund des hohen Drucks zu Wechselwirkungen zwischen den elektronischen Bindungszuständen benachbarter Ionen und schließlich zu deren vollständiger Ionisierung. Während die Ionisation in brennenden Sternen hauptsächlich durch die Temperatur bestimmt wird, dominiert bei kühleren Objekten die Ionisation aufgrund des Drucks.

Obwohl sie für die Struktur und Entwicklung von Himmelskörpern wichtig ist, ist die Druckionisation als Weg für hochionisierte Materie theoretisch kaum verstanden. Darüber hinaus sei es sehr schwierig, die erforderlichen extremen Materiezustände im Labor zu erzeugen und zu untersuchen, sagte LLNL-Physiker Thilo Dubner, der das Projekt leitete.

„Durch die Nachbildung extremer Bedingungen, die denen im Inneren von Riesenplaneten und Sternen ähneln, konnten wir Veränderungen in den Materialeigenschaften und der Elektronenstruktur beobachten, die von aktuellen Modellen nicht erfasst werden“, sagte Dubner. „Unsere Arbeit eröffnet neue Horizonte für die Untersuchung und Modellierung des Verhaltens von Materie unter extremem Druck. Die Ionisierung in dichtem Plasma ist ein Schlüsselfaktor, da sie die Zustandsgleichung, thermodynamische Eigenschaften und den Strahlungstransport durch Opazität beeinflusst.“

Die Forschung hat auch wichtige Implikationen für selbstbegrenzte Fusionsexperimente am NIF, wo Röntgenabsorption und Abstimmbarkeit Schlüsselfaktoren für die Optimierung von Hochleistungsfusionsexperimenten sind. Ein umfassendes Verständnis der Ionisierung aufgrund von Druck und Temperatur sei für die Modellierung komprimierter Materialien und letztendlich für die Entwicklung einer reichlich vorhandenen, kohlenstofffreien Energiequelle durch lasergesteuerte Kernfusion von entscheidender Bedeutung, sagte Dubner.

„Die einzigartigen Fähigkeiten der National Ignition Facility sind beispiellos. Es gibt nur einen Ort auf der Erde, an dem wir die intensive Kompression von Planetenkernen und Sterninnenräumen im Labor erzeugen, untersuchen und überwachen können, und das ist der größte Laser der Welt“, sagte er Bruce Remington, NIF Discovery Science-Programm. Und der aktivste. Führer. „Aufbauend auf der Grundlage früherer Forschungen am NIF erweitert diese Arbeit die Grenzen der Laborastrophysik.“

Referenz: „Beobachtung des Beginns der K-Shell-Delokalisierung aufgrund von Druck“ von T. Döppner, M. Bethkenhagen, D. Kraus, P. Neumayer, DA Chapman, B. Bachmann, RA Baggott, MP Böhme, L. Divol, und RW Falcone, LB Fletcher, OL Landen, MJ MacDonald, AM Saunders, M. Schörner, PA Sterne, J. Vorberger, BBL Witte, A. Yi, R. Redmer, SH Glenzer und DO Gericke, 24. Mai 2023, verfügbar Hier. Natur.
DOI: 10.1038/s41586-023-05996-8

Unter der Leitung von Dubner bestand das LLNL-Forschungsteam aus den Co-Autoren Benjamin Bachmann, Laurent Devol, Otto Landin, Michael McDonald, Alison Saunders und Phil Stern.

Die bahnbrechende Forschung war das Ergebnis einer internationalen Zusammenarbeit zur Entwicklung der Thomson-Röntgenstreuung am NIF im Rahmen des Science Discovery Program am LLNL. Zu den Mitarbeitern gehörten Wissenschaftler des SLAC National Accelerator Laboratory, der University of California Berkeley, der Universität Rostock (Deutschland),[{“ 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.).