Ученые воспроизвели давление, соответствующее давлению на поверхности белых карликов

Впервые в лаборатории было создано давление в 100 раз больше, чем в ядре Земли, что стало новым рекордом.

Используя самую высокоэнергетическую лазерную систему в мире, физики ненадолго подвергли образцы твердых углеводородов давлению до 450 мегабар, что в 450 миллионов раз превышает атмосферное давление Земли на уровне моря.

Это эквивалентно давлению в углеродных оболочках редкого типа белых карликов — одних из самых плотных объектов в известной Вселенной. Это могло бы помочь нам лучше понять влияние этого давления на изменение яркости звезд.

Большинство звезд во Вселенной закончат свою жизнь белыми карликами, в том числе и наше Солнце. По мере того, как они достигают конца своей главной последовательности, дней термоядерного синтеза водорода, они разлетаются в красных гигантов, в конечном итоге выбрасывая большую часть своего материала в космос, когда ядро ​​коллапсирует в белый карлик – «мертвую» звезду больше не способную поддерживать синтез.

Белые карлики плотные. Они примерно в 1,5 раза превышают массу Солнца, будучи упакованными в сферу размером с Землю. Только то, что называется давлением электронного вырождения, удерживает звезду от коллапса под действием собственной гравитации.

При давлении около 100 мегабар электроны отделяются от своих атомных ядер — и, поскольку идентичные электроны не могут занимать одно и то же пространство, они обеспечивают внешнее давление, которое не дает звезде схлопнуться.

Это давление не только влияет на сжимаемость материала, оно также снижает непрозрачность плазмы, ионизируемой за счет потери электронов. Связи между этими свойствами описываются уравнениями состояния материала, которые также можно использовать для расчета таких свойств, как температурный профиль и скорость охлаждения.

Однако есть некоторые разногласия в моделях уравнения состояния (EOS) для экстремальных давлений; для белых карликов модели EOS вдоль так называемой ударной волны Гюгонио — кривой, отображающей увеличение давления и плотности при сжатии — могут отличаться на 10 процентов.

Это может быть проблемой при попытке понять фундаментальные свойства Вселенной, потому что белые карлики должны быть вполне предсказуемыми. Хотя они светят, свет исходит только от остаточного тепла, а не от термоядерного синтеза, и поэтому их скорость охлаждения можно использовать как своего рода часы для подтверждения возраста Вселенной, например, и возрастов звезд вокруг них.

Этот вопрос команда исследователей пытается решить, используя лазерную систему Национального центра зажигания (NIF) Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса.

Экспериментальная установка состояла из маленькой твердой миллиметровой углеводородной (пластиковой) бусины внутри полого золотого цилиндра размером с ластик для карандашей, называемого хольраумом. Затем его облучали 1,1 миллиона джоулей ультрафиолетового света, испускаемого лазерами, что создало однородную рентгеновскую ванну, нагревающую пластиковую сферу почти до 3,5 миллионов Кельвинов.

Внешний слой шарика был разрушен в результате абляции, в результате чего образовалась сферическая ударная волна абляции, распространяющаяся со скоростью до 220 километров в секунду, которая сходилась сферически, что привело к увеличению давления при распространении через шарик.

Между прочим, все это произошло необычайно быстро — ударной волне потребовалось всего 9 наносекунд, чтобы пройти через весь образец, — но с помощью рентгеновской радиографии исследовательская группа смогла зафиксировать удар Гюгонио, измерив давление в 100 мегабар на внешней стороне бусинки до 450 мегабар к тому времени, когда она достигла середины.

Давление внутри ядра Земли составляет 3,6 мегабара. Раньше максимальное давление, достигаемое в таком контролируемом эксперименте, составляло 60 мегабар.

По словам исследователей, давление, создаваемое в их эксперименте, согласуется с углеродной оболочкой — областью конвекции, окружающей ядро, — наблюдаемой в так называемых белых карликах.

Исследование опубликовано в журнале Nature.

Источники: Фото: (Mark Meamber/Clayton Dahlen/Lawrence Livermore National Laboratory)