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

Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore han utilizado con éxito el láser más potente del mundo para simular y estudiar la ionización impulsada por la presión, un proceso 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 realizaron experimentos de laboratorio en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) que brindan nuevos conocimientos sobre el complejo proceso de ionización impulsada por la presión en estrellas y planetas gigantes. Su investigación, publicada el 24 de mayo en Naturalezarevela las propiedades de los materiales y el comportamiento de la materia bajo compresión extrema, lo que ofrece implicaciones importantes para la astrofísica y la investigación de la fusión nuclear.

«Si puede recrear las condiciones que ocurren en un objeto estelar, entonces puede descubrir qué 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 Departamento de Energía. “Es como poner un termómetro en la estrella y medir qué tan caliente está y qué le hacen esas condiciones a los átomos dentro del material. Puede enseñarnos nuevas formas de manipular 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 impulsada por presión. Usando 184 rayos láser, el equipo calentó el interior de una cavidad, convirtiendo la energía del láser en rayos X que calentaban una capa de berilio de 2 mm de diámetro en el centro. A medida que el exterior del caparazón 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 una pequeña pieza de materia como la que se encuentra en las estrellas enanas. durante unos nanosegundos en el laboratorio.

La muestra de berilio altamente comprimida, hasta 30 veces su densidad sólida ambiental, se analizó mediante dispersión de rayos X de Thomson para inferir su densidad, temperatura y estructura electrónica. Los resultados revelaron que, tras un intenso calentamiento y compresión, al menos tres de los cuatro electrones del berilio cambiaron a estados conductores. Además, el estudio descubrió una dispersión elástica inesperadamente débil, lo que indica una localización reducida del electrón restante.

La materia dentro de los planetas gigantes y algunas estrellas relativamente frías está fuertemente comprimida por el peso de las capas superiores. A presiones tan altas, generadas por una alta compresión, la proximidad de los núcleos atómicos conduce a interacciones entre estados electrónicos enlazados de iones vecinos y, finalmente, a su ionización completa. Mientras que la ionización en las estrellas en llamas es impulsada 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 hacia la materia altamente ionizada no se comprende bien en teoría. Además, los estados extremos de la materia requeridos son muy difíciles de crear y estudiar en el laboratorio, dijo el físico del LLNL Tilo Döppner, quien dirigió el proyecto.

«Al recrear condiciones extremas similares a las del interior 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 Döppner. “Nuestro trabajo abre nuevas vías para estudiar y modelar el comportamiento de la materia bajo compresión extrema. La ionización en plasmas densos es un parámetro clave ya que afecta la ecuación de estado, las propiedades termodinámicas y el transporte de radiación a través de la opacidad».

La investigación también tiene implicaciones significativas para los experimentos de fusión confinados por inercia 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 esencial para modelar materiales comprimidos y, en última instancia, para desarrollar una fuente de energía abundante y libre de carbono utilizando la fusión nuclear guiada por láser, dijo Döppner.

“Las capacidades únicas de la Instalación Nacional de Ignición no tienen rival. Solo hay un lugar en la Tierra donde podemos crear las compresiones extremas de los núcleos planetarios y los interiores estelares en el laboratorio, estudiarlos y observarlos, y eso es en el láser más grande y más energético del mundo», dijo Bruce Remington, jefe del Programa de Ciencia Discovery de NIF. . «Basado en la base de investigaciones previas en el NIF, este trabajo está ampliando las fronteras de la astrofísica de laboratorio».

Referencia: «Observación del inicio de la deslocalización del caparazón K impulsada por la presión» por T. Döppner, M. Bethkenhagen, D. Kraus, P. Neumayer, DA Chapman, B. Bachmann, RA Baggott, MP Böhme, L. Divol, 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, 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 MacDonald, Alison Saunders y Phil Sterne.

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 Discovery Science de LLNL. Científicos colaboradores 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.).