Условия в нашей огромной Вселенной могут быть самыми разными. Жестокие падения небесных тел оставляют на поверхности планет шрамы. Ядерные реакции в сердцах звезд генерируют огромное количество энергии. Гигантские взрывы катапультируют вещество далеко в космос. Но как именно протекают процессы вроде этих? Что они говорят нам о Вселенной? Можно ли использовать их силу на благо человечества?

Чтобы выяснить это, ученые из Национальной ускорительной лаборатории SLAC провели сложные эксперименты и компьютерное моделирование, воссоздающее жестокие космические условия в микромасштабах лаборатории.

«Сфера лабораторной астрофизики растет быстрыми темпами и подпитывается целым рядом технологических прорывов, — говорит Зигфрид Гленцер, глава научного отделения высоких плотностей энергии в SLAC. — Теперь у нас есть мощные лазеры для создания экстремальных состояний вещества, передовые рентгеновские источники для анализа этих состояний на атомном уровне и высокопроизводительные суперкомпьютеры для проведения комплексных симуляций, которые направляют и помогают объяснить наши эксперименты. С обширными возможностями в этих областях, SLAC становится особенно плодородной почвой для такого рода исследований».

Три недавно проведенных исследования, подчеркивающих этот подход, затрагивают падения метеоров, ядра гигантских планет и космические ускорители частиц, в миллионы раз мощнее Большого адронного коллайдера, крупнейшего ускорителя частиц на Земле.

Космические «побрякушки» указывают на метеоры

Известно, что высокое давление может превращать мягкую форму углерода — графита, который используется в качестве грифеля — в чрезвычайно тяжелую форму углерода, алмаз. Может ли такое произойти, если метеор попадет в графит на земле? Ученые считают, что может, и что эти падения, по сути, могут быть достаточно мощными, чтобы произвести так называемый лонсдейлит, особую форму алмаза, которая даже еще прочнее, чем обычный алмаз.

«Существование лонсдейлита оспаривалось, но теперь мы нашли убедительные доказательства этому», — говорит Гленцер, главный исследователь работы, опубликованной в марте в Nature Communications.

Ученые нагрели поверхность графита мощным оптическим лазерным импульсом, который отправлял ударную волну внутрь образца и быстро его сжимал. Просвечивая источник яркими, сверхбыстрыми рентгеновскими лучами LCLS, ученые смогли увидеть, как шок изменил атомную структуру графита.

«Мы увидели, что в некоторых образцах графита, за несколько миллиардных долей секунды и при давлении в 200 гигапаскалей (в 2 миллиона раз больше атмосферного давления на уровне моря) образовался лонсдейлит», говорит ведущий автор Доминик Крауц из Немецкого центра Гельмгольца, работавший в Калифорнийском университете в Беркли на момент проведения исследований. «Эти результаты мощно поддерживают идею о том, что жестокие удары могут синтезировать эту форму алмаза, и это, в свою очередь, может помочь нам выявить места падения метеоров».

Гигантские планеты превращают водород в металл

Второе исследование, опубликованное на днях в Nature Communications, посвящено другой важной трансформации, которая могла происходить внутри гигантских газовых планет вроде Юпитера, внутренняя часть которых по большей части состоит из жидкого водорода: при высокой температуре и давлении, этот материал переходит из «обычного», электроизолирующего состояния в металлическое, проводящее.

«Понимание этого процесса обеспечивает новые подробности о формировании планет и эволюции Солнечной системы», говорит Гленцер, который также был одним из главных исследователей этой работы. «Хотя такой переход уже был предсказан в 1930-х годах, мы никогда не открывали прямое окошко в атомные процессы».

То есть не открывали до тех пор, пока Гленцер и его коллеги-ученые не провели эксперимент в Национальной лаборатории Ливермора (LLNL), где использовали высокомощный лазер Janus, чтобы быстро сжимать и нагревать образец жидкого дейтерия, тяжелой формы водорода, и создать вспышку рентгеновских лучей, которая выявила последовательные структурные изменения в образце.

Ученые увидели, что выше давления в 250 000 атмосфер и температуры в 7000 градусов по Фаренгейту, дейтерий действительно меняется из нейтральной изолирующей жидкости в ионизированную металлическую.

«Компьютерные моделирования показывают, что переход совпадает с разделением двух атомов, как правило, связанных между собой в молекулах дейтерия», говорит ведущий автор Пол Дэвис, аспирант Калифорнийского университета в Беркли на момент написания исследования. «По всей видимости, давление и температура вызванной лазером ударной волны разрывают молекулы на части, их электроны становятся несвязанными и могут проводить электричество».

В дополнение к планетарной науке, это исследование могло бы также помочь в исследованиях, направленных на использование дейтерия в качестве ядерного топлива для термоядерных реакций.

Как построить космический ускоритель

Третий пример экстремальной вселенной, вселенной «на грани», это невероятно мощные космические ускорители частиц — вблизи сверхмассивных черных дыр, например — извергающие потоки ионизированного газа, плазмы, на сотни тысяч световых лет в космос. Энергия, которая содержится в этих потоках и их электромагнитных полях, может конвертироваться в невероятно энергичные частицы, которые производят очень короткие, но интенсивные вспышки гамма-лучей, которые могут быть обнаружены на Земле.

Ученым хотелось бы узнать, как работают эти энергетические ускорители, поскольку это поможет понять Вселенную. Кроме того, из этого можно было бы извлечь свежие идеи для строительства более мощных ускорителей. В конце концов, ускорение частиц лежит в основе множества фундаментальных физических экспериментов и медицинских устройств.

Ученые полагают, что одна из главных движущих сил, стоящих за космическими ускорителями, может быть «магнитным пересоединением» — процессом, в котором линии магнитного поля в плазме разбиваются и пересоединяются иным путем, выпуская магнитную энергию.

«Магнитное пересоединение ранее наблюдали в лаборатории, например, в экспериментах со столкновением двух плазм, которые были созданы с помощью высокомощных лазеров», говорит Фредерико Фиуца, ученый из научного отделения высоких плотностей энергии и главный исследователь теоретической работы, опубликованной в марте в Physical Review Letters. «Тем не менее ни в одном из таких лазерных экспериментов не наблюдали нетермальное ускорение частиц — ускорение, не связанное с нагревом плазмы. Наша работа показывает, что при определенном проектировании наши эксперименты должны его увидеть».

Его команда провела ряд компьютерных моделирований, которые предсказали, как должны вести себя частицы плазмы в таких экспериментах. Самые серьезные расчеты на основе 100 миллиардов частиц потребовали более миллиона часов работы CPU и более терабайта памяти суперкомпьютера Mira Аргоннской национальной лаборатории.

«Мы определили ключевые параметры для требуемых детекторов, включая энергетический диапазон, в котором они будут работать, необходимое энергетическое разрешение и местоположение в эксперименте, — говорит ведущий автор исследования Самуэль Тоторика, аспирант Стэнфордского университета. — Наши результаты представляют собой рецепт для проектирования будущих экспериментов, которые захотят узнать, как частицы получают энергию в процессе магнитного пересоединения».