Учёные из двух крупных научно-исследовательских центров в Германии Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) и European XFEL сумели создать и наблюдать экстремальные условия, аналогичные тем, что существуют внутри планет и звёзд, с помощью гораздо меньшего лазера, чем ранее использовавшиеся. Это достижение открывает новые возможности для исследований в области астрофизики и материаловедения.

До сих пор для создания таких условий требовались самые мощные лазеры в мире, такие как National Ignition Facility (NIF). [National Ignition Facility (NIF) — это одна из самых мощных лазерных установок в мире, расположенная в Ливерморе (Калифорния). NIF предназначен для достижения термоядерного синтеза, при котором ядерное топливо сжимается и нагревается до такой степени, что происходит ядерная реакция. Установка имеет рекордную мощность 500 тераватт и используется для проведения исследований в области термоядерного синтеза, материаловедения, физики плазмы и ядерной физики] Однако таких лазеров всего несколько в мире, и возможности для экспериментов соответственно редки. Исследовательская группа под руководством HZDR совместно с коллегами из European XFEL преуспела в создании и наблюдении экстремальных условий с помощью гораздо меньшего лазера.

Художественное изображение взрывающейся проволоки: сильный поток высокоэнергетических электронов (розовый) нагревает поверхность, тем самым вызывая последующие ударные волны, которые сжимают проволоку в радиальном направлении. Источник: HZDR / T. Toncian

В основе новой технологии лежит тонкая медная проволока, обстреливаемая сверхкороткими импульсами лазера. Это приводит к образованию ударной волны, которая проходит через проволоку и создаёт условия с высокими давлениями и температурами. С помощью рентгеновских вспышек лазера European XFEL, который генерирует сверхкороткие импульсы рентгеновского излучения, которые можно использовать для изучения структуры и поведения материалов на атомном уровне, исследователи смогли наблюдать за этими процессами и измерить достигнутые условия. 

«Затем мы смогли использовать сильные рентгеновские вспышки от европейского XFEL, чтобы наблюдать за тем, что происходит внутри провода. Эта комбинация короткоимпульсного лазера и рентгеновского лазера уникальна в мире. Только благодаря высокому качеству и чувствительности рентгеновского пучка мы смогли наблюдать эффект», — объясняет доктор Алехандро Ласо Гарсия, ведущий автор статьи.

В нескольких сериях измерений учёные систематически варьировали временной интервал между воздействием лазерной вспышки и просвечиванием рентгеновских лучей. Это позволило записать подробную «рентгеновскую плёнку» события.

«Сначала лазерный импульс взаимодействует с проводом и генерирует локальную ударную волну, которая проходит через провод подобно детонации и в конечном итоге разрушает его. Но перед этим некоторые из высокоэнергетических электронов, созданных при ударе лазера, мчатся по поверхности провода», — объясняет руководитель отдела HIBEF, доктор Тома Тончиан.

Эти быстрые электроны быстро нагревают поверхность провода и генерируют новые ударные волны. Затем они по очереди бегут со всех сторон к центру провода. На короткое время все ударные волны концентрируются там и генерируют чрезвычайно высокие давления и температуры.

Измерения показали, что плотность меди в середине провода на короткое время оказалась в восемь-девять раз выше, чем в «обычной», холодной меди.

«Наши компьютерные симуляции показывают, что мы достигли давления в 800 мегабар. Это соответствует давлению в 800 миллионов раз больше атмосферного и в 200 раз больше давления, которое преобладает внутри Земли», — говорит профессор Томас Коуэн, директор Института радиационной физики HZDR и инициатор консорциума HIBEF.

Достигнутая температура также была колоссальной по земным меркам: 100 000 градусов по Цельсию.
Эти условия близки к условиям в короне белого карлика.

«Наш метод также может быть использован для достижения условий, подобных тем, что существуют внутри огромных газовых планет», — подчёркивает Ласо Гарсия. Сюда входят не только известные гиганты, такие как Юпитер, но и большое количество экзопланет, которые были открыты за последние несколько лет.

Теперь исследовательская группа нацелилась на провода из других материалов, таких как железо и пластик. «Пластик в основном состоит из водорода и углерода. И оба элемента встречаются в звёздах и их короне», — говорит Тончиан.

Новый метод измерения полезен не только для астрофизики, но и для другой области исследований. «Наш эксперимент впечатляющим образом демонстрирует, как мы можем генерировать очень высокие плотности и температуры в самых разных материалах. Это выведет исследования термоядерного синтеза на шаг вперёд», — сказал Ульф Застрау, возглавляющий группу HED в European XFEL.