实验揭示了巨型行星和恒星中压力驱动的电离

科学家们在劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)进行了实验室实验，为巨行星和恒星中压力驱动电离的复杂过程提供了新的见解。他们的研究今天发表在《自然》杂志上，揭示了极端压缩下物质的材料性质和行为，为天体物理学和核聚变研究提供了重要意义。

“如果你能重现恒星物体中发生的条件，那么你实际上可以找出它内部发生了什么，”合作者Siegfried Glenzer说，他是能源部SLAC国家加速器实验室高能量密度部门的主任。“这就像将温度计放入恒星中，测量它的温度以及这些条件对材料内部原子的影响。它可以教给我们操纵聚变能源物质的新方法。

国际研究小组使用世界上最大，最有能量的激光器，国家点火设施(NIF)来产生压力驱动电离所需的极端条件。通过使用184束激光，该团队加热了腔体内部，将激光能量转换为X射线，加热了放置在中心的2毫米直径的铍壳。由于加热，外壳的外部迅速膨胀，内部向内加速，达到大约<>万开尔文的温度和高达<>亿大气压的压力，在实验室中产生了一小块物质，就像在矮星中发现的那样，持续了几纳秒。

高度压缩的铍样品，高达其环境固体密度的30倍，用X射线探测，以找出其密度，温度和电子结构。研究结果表明，在强烈的加热和压缩之后，铍中至少有四分之三的电子转变为导电态。此外，该研究还发现了意想不到的弱弹性散射，表明剩余电子的定位减少或释放。

巨行星和一些相对凉爽的恒星内部的物质被上面层的重量高度压缩。在如此高的压力下，由高压缩产生，原子核的接近导致相邻离子的电子束缚态之间的相互作用，并最终导致它们完全电离。虽然燃烧恒星的电离主要由温度决定，但压力驱动的电离在较冷的物体中占主导地位。

尽管压力电离对天体的结构和演化很重要，但压力电离作为高电离物质的途径在理论上并不十分清楚。此外，所需的极端物质状态很难在实验室中创造和研究，领导该项目的LLNL物理学家Tilo Döppner说。

“通过重现类似于巨行星和恒星内部的极端条件，我们能够观察到当前模型无法捕获的材料特性和电子结构的变化，”Döppner说。“我们的工作为研究和模拟极端压缩下的物质行为开辟了新的途径。致密等离子体中的电离是一个关键参数，因为它会影响状态方程、热力学性质和通过不透明度的辐射传输。

该研究对NIF的惯性约束聚变实验也具有重要意义，其中X射线吸收和可压缩性是优化高性能聚变实验的关键参数。Döppner说，全面了解压力和温度驱动的电离对于模拟压缩材料以及最终通过激光驱动的核聚变开发丰富的无碳能源至关重要。

“国家点火设施的独特能力是无与伦比的。地球上只有一个地方我们可以在实验室中创造行星核心和恒星内部的极端压缩，并研究和观察它们，那就是世界上最大，最有能量的激光器，“NIF发现科学项目负责人Bruce Remington说。“在NIF先前研究的基础上，这项工作正在扩大实验室天体物理学的前沿。

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