En un nuevo experimento, cuatro rayos láser ópticos (verde) lanzaron una onda de choque en una muestra de plástico compuesta de carbono e hidrógeno. A medida que la onda de choque se movía a través del material, los investigadores lo observaron al golpear las regiones impactadas con fotones de rayos X de LCLS (haz blanco delgado) que se dispersaron hacia atrás y hacia adelante de los electrones en la muestra (haces blancos más gruesos). Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Hay gigantes entre nosotros, gigantes de gas y hielo para ser específicos. Orbitan la misma estrella pero sus condiciones ambientales y composición química son tremendamente diferentes a las de la Tierra. Estos planetas enormes:Júpiter, Saturno, Neptuno y Urano:pueden considerarse laboratorios naturales para la física de la materia a temperaturas y presiones extremas.
Ahora, un equipo internacional que incluye científicos del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía ha desarrollado una nueva configuración experimental para medir cómo se comportan y se mezclan los elementos químicos en el interior de gigantes helados, que podría ofrecer información sobre la formación y evolución de los sistemas planetarios. Lo que aprendan también podría guiar a los científicos que esperan aprovechar la fusión nuclear, que produce condiciones similares a las de nuestro sol, como nueva fuente de energía. Sus resultados fueron publicados la semana pasada en Comunicaciones de la naturaleza .
Mezclarlo
En experimentos anteriores, Los investigadores utilizaron el láser de rayos X de fuente de luz coherente Linac (LCLS) de SLAC para obtener el primer vistazo detallado a la creación de "materia densa cálida, "un supercaliente, mezcla supercomprimida que se cree que está en el corazón de estos planetas enormes. También pudieron recopilar pruebas de "lluvia de diamantes, "una precipitación exótica que se predice que se formará a partir de mezclas de elementos en el interior de gigantes helados.
Hasta ahora, Los investigadores utilizaron una técnica llamada difracción de rayos X para estudiar esto, tomando una serie de instantáneas de cómo las muestras responden a las ondas de choque producidas por láser que imitan las condiciones extremas que se encuentran en otros planetas. Esta técnica funciona bien para muestras de cristal, pero es menos eficaz para muestras que no son de cristal, cuyas moléculas y átomos están dispuestos de forma más aleatoria. lo que limita la profundidad de comprensión que pueden alcanzar los científicos. En este nuevo artículo, El equipo utilizó una técnica llamada dispersión de rayos X de Thomson que reproduce con precisión los resultados de difracción anteriores y al mismo tiempo les permite estudiar cómo se mezclan los elementos en muestras que no son cristalinas en condiciones extremas.
"Esta investigación proporciona datos sobre un fenómeno que es muy difícil de modelar computacionalmente:la 'miscibilidad' de dos elementos, o cómo se combinan cuando se mezclan, "dice el director de LCLS Mike Dunne." Aquí ven cómo se separan dos elementos, como hacer que la mayonesa se separe nuevamente en aceite y vinagre. Lo que aprenden podría ofrecer información sobre una forma clave en la que falla la fusión, en el que la capa inerte de una cápsula se mezcla con el combustible de fusión y lo contamina para que no se queme ".
10, 000 kilómetros de profundidad
Los dos conjuntos de fotones dispersos revelaron cómo se separaban los átomos de hidrógeno (azul) y de carbono (gris), o desmezclado, en respuesta a las condiciones extremas de presión y temperatura alcanzadas en el experimento. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
En este experimento más reciente, Los rayos láser ópticos lanzaron una onda de choque en una muestra de plástico compuesta de carbono e hidrógeno. A medida que la onda de choque se movía a través del material, los investigadores lo observaron golpeando las regiones impactadas con fotones de rayos X de LCLS que dispersaban tanto hacia atrás como hacia adelante de los electrones en la muestra.
"Un conjunto de fotones dispersos reveló las temperaturas y presiones extremas alcanzadas en la muestra, que imitan a los encontrados 10, 000 kilómetros debajo de la superficie de Urano y Neptuno, "dice el científico y coautor de SLAC Eric Galtier." El otro reveló cómo los átomos de hidrógeno y carbono se separaron en respuesta a estas condiciones ".
Profundizando
Los investigadores esperan que la técnica les permita medir la mezcla microscópica de materiales utilizados en los experimentos de fusión en general. láseres de alta energía como la Instalación Nacional de Ignición en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) del DOE.
"Queremos entender si este proceso podría ocurrir en implosiones de fusión por confinamiento inercial con cápsulas de ablación de plástico, ya que generaría fluctuaciones que podrían crecer y degradar el desempeño de la implosión, "dijo Tilo Doeppner, Físico del LLNL y coautor del artículo.
Para dar seguimiento, el equipo planea recrear condiciones aún más extremas que se encuentran más profundamente dentro de gigantes helados, y estudiar muestras que contienen otros elementos para comprender qué sucede en otros planetas.
"Esta técnica nos permitirá medir procesos interesantes que de otro modo serían difíciles de recrear, "dice Dominik Kraus, científico de Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf que dirigió el estudio. "Por ejemplo, podremos ver cómo el hidrógeno y el helio, elementos que se encuentran en el interior de gigantes gaseosos como Júpiter y Saturno, mezclar y separar en estas condiciones extremas. Es una nueva forma de estudiar la historia evolutiva de planetas y sistemas planetarios, además de apoyar experimentos sobre posibles formas futuras de energía a partir de la fusión ".
