Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Một nhóm nghiên cứu quốc tế hiện đã trình bày một phương pháp mới, rất chính xác để đánh giá hành vi của các hỗn hợp các nguyên tố khác nhau dưới áp suất cao với sự trợ giúp của tán xạ tia X. Kết quả củng cố tiền đề rằng vật chất trong các hành tinh như Sao Hải Vương và Sao Thiên Vương có thể thay đổi đáng kể: hỗn hợp hydrocarbon nóng trong phần bên trong của những “người” khổng lồ băng có thể tạo ra một loại mưa kim cương.
Tái tạo các điều kiện khắc nghiệt trong phòng thí nghiệm, giống như các điều kiện bên trong các hành tinh và các ngôi sao, rất phức tạp và chỉ có thể đạt được cho các phân số của một giây. Một nhóm nghiên cứu quốc tế do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) dẫn đầu hiện đã trình bày một phương pháp mới, rất chính xác để đánh giá hành vi của các hỗn hợp các nguyên tố khác nhau dưới áp suất cao với sự trợ giúp của tán xạ tia X. Các kết quả đã cải thiện các phép đo trước đó và củng cố tiền đề rằng vật chất trong các hành tinh như Sao Hải Vương và Sao Thiên Vương có thể thay đổi đáng kể: hỗn hợp hydrocarbon nóng trong lòng người khổng lồ băng có thể tạo ra một loại mưa kim cương, như các nhà nghiên cứu báo cáo trên tờ Nature Communications .
Không phải chất rắn cũng không phải chất lỏng, không phải chất khí cũng không phải plasma: vật chất bên trong các hành tinh và ngôi sao có thể ở trạng thái trung gian đặc biệt ở nhiệt độ hàng ngàn độ và nén hơn một nghìn lần so với bầu khí quyển Trái đất của chúng ta – các chuyên gia gọi nó vật chất dày đặc ấm áp. Có rất nhiều thứ chúng ta vẫn chưa biết về nó. Các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm được thiết lập để thay đổi tất cả nhưng về mặt kỹ thuật rất phức tạp vì trạng thái kỳ lạ này không xảy ra tự nhiên trên Trái đất. Điều đó có nghĩa là cả việc chế tạo và nghiên cứu vật chất đậm đặc ấm áp nhân tạo là một thách thức đối với các nhà điều tra và các nhà lý thuyết. Tiến sĩ Dominik Kraus, tác giả chính của nghiên cứu và là chủ mưu của phương pháp đo lường giải thích: “Nhưng trong phương sách cuối cùng, chúng ta phải hiểu các quá trình trong vật chất dày đặc ấm áp nếu chúng ta muốn mô hình hóa các hành tinh”. ” Bây giờ chúng ta có một cách tiếp cận mới rất hứa hẹn dựa trên tán xạ tia X. Các thí nghiệm của chúng tôi đang cung cấp các tham số mô hình quan trọng trong đó, trước đây, chúng tôi chỉ có sự không chắc chắn lớn. Điều này sẽ trở nên phù hợp hơn bao giờ hết khi chúng ta khám phá ra nhiều ngoại hành tinh hơn. “
Vòi hoa sen kim cương – một nguồn năng lượng hành tinh
Tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC tại Đại học Stanford, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu cấu trúc của vật chất trong các hỗn hợp đặc trưng cho các hành tinh, trong trường hợp “người” khổng lồ băng, hydrocarbon, sử dụng ánh sáng laser mạnh. Màng nhựa tiêu chuẩn được dùng thay thế cho hydrocarbon hành tinh. Một laser năng lượng cao quang học chuyển đổi nhựa thành vật chất đậm đặc ấm: các xung laser ngắn, mạnh tạo ra sóng xung kích trong phim và nén nhựa đến cực độ. “Chúng tôi sản xuất khoảng 1,5 triệu thanh, tương đương với áp lực gây ra bởi trọng lượng của khoảng 250 con voi châu Phi trên bề mặt hình thu nhỏ,” Kraus minh họa kích thước. Điều gì xảy ra là sóng xung kích laser cũng làm nóng vật chất lên tới khoảng 5.000 độ. Để đánh giá hiệu quả, các nhà nghiên cứu bắn một tia laser tia X cực kỳ mạnh vào mẫu. Tùy thuộc vào cách ánh sáng bị tán xạ khi đi qua mẫu, họ có thể rút ra những suy luận về cấu trúc của vật chất.
Các nhà nghiên cứu quan sát thấy rằng trong trạng thái vật chất đậm đặc ấm áp, thứ trước đây là nhựa tạo ra kim cương. Áp suất cao có thể phân tách hydrocarbon thành carbon và hydro. Các nguyên tử carbon được giải phóng nhỏ gọn thành các cấu trúc kim cương. Trong trường hợp các hành tinh như Sao Hải Vương và Sao Thiên Vương, điều này có nghĩa là sự hình thành kim cương trong phần bên trong của chúng có thể kích hoạt một nguồn năng lượng bổ sung. Những viên kim cương nặng hơn vật chất xung quanh chúng và từ từ chìm xuống lõi của hành tinh trong một cơn mưa kim cương. Trong quá trình đó, chúng cọ xát với môi trường xung quanh và tạo ra nhiệt – một yếu tố quan trọng đối với các mô hình hành tinh.
Tán xạ tia X tăng cường độ chính xác đo
Trong một thí nghiệm trước đó, Kraus và nhóm của ông là những người đầu tiên chứng minh sự hình thành có thể của kim cương trong các hành tinh sử dụng nhiễu xạ tia X trong môi trường thí nghiệm. Nhưng các kiểu nhiễu xạ của ánh sáng tia X chỉ có thể tiết lộ các cấu trúc tinh thể. Sử dụng các máy dò bổ sung, các nhà nghiên cứu hiện cũng đã phân tích làm thế nào ánh sáng bị tán xạ bởi các electron trong vật chất. Họ so sánh các thành phần tán xạ khác nhau với nhau cũng như với các mô phỏng lý thuyết. Quá trình này cho phép xem xét chính xác toàn bộ cấu trúc của vật chất. Kraus giải thích: “Trong trường hợp của những người khổng lồ băng, giờ đây chúng ta biết rằng carbon hầu như chỉ tạo thành kim cương khi nó tách ra và không có dạng chuyển tiếp chất lỏng”.
Phương pháp này không chỉ nhạy hơn nhiễu xạ tia X, nó còn có thể được sử dụng rộng rãi hơn vì nó tạo ra ít nhu cầu kỹ thuật hơn đối với nguồn sáng để phân tích. Nhóm nghiên cứu quốc tế hiện đang lên kế hoạch áp dụng nó cho các hỗn hợp hydro tương tự như các hỗn hợp xảy ra trong các hành tinh khí và để nén hydro tinh khiết như được tìm thấy trong phần bên trong của các ngôi sao nhỏ. Những thí nghiệm này được lên kế hoạch tiến hành trong số những thí nghiệm khác tại Đường truyền tia cực tím quốc tế Helmholtz (HIBEF) tại XFEL châu Âu, có thể giúp các nhà nghiên cứu hiểu được nhiều hành tinh mà chúng ta đã biết về bên ngoài hệ mặt trời của chúng ta để xác định xem liệu sự sống có thể thậm chí có thể trên bất kỳ trong số họ.
Các thí nghiệm hợp nhất cũng có thể được hưởng lợi từ phương pháp đo mới. Nghiên cứu hợp nhất cũng cố gắng tái tạo trên các quá trình Trái đất xảy ra dưới áp lực lớn trong các ngôi sao. Trong quá trình tổng hợp giam cầm quán tính, nhiên liệu deuterium và triti được đốt nóng đến mức cực đoan và nén – vật chất đậm đặc ấm là một trạng thái trung gian. Với sự trợ giúp của tán xạ tia X, quá trình này có thể được theo dõi chính xác.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :