En el interior de las estrellas y los planetas prevalecen condiciones extremas. La presión alcanza millones de bares y puede calentarse hasta millones de grados. Los métodos más modernos permiten crear tales estados de la materia en el laboratorio, aunque sólo en un abrir y cerrar de ojos y en un volumen minúsculo. Hasta ahora, esto requería los láseres más potentes del mundo, como el National Ignition Facility (NIF) de California. Pero estos gigantes luminosos son sólo unos pocos y, en consecuencia, las oportunidades de realizar pruebas son escasas. Un equipo de investigación dirigido por Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) con colegas del XFEL europeo ha logrado crear y observar condiciones extremas con láseres mucho más pequeños. En el corazón de la nueva tecnología se encuentra un alambre de cobre, más fino que un cabello humano, como informó el grupo en la revista. Comunicarse con la naturaleza.
Hasta ahora, los expertos disparan rayos láser de altísima potencia sobre una muestra de material, normalmente una lámina fina. Esto da como resultado un calentamiento repentino del material de la superficie. Esto crea una onda de choque que viaja a través de la muestra. Comprime el material y lo calienta. Durante unos pocos nanosegundos se crean condiciones como el interior de un planeta o la capa de una estrella. La pequeña ventana de tiempo es suficiente para estudiar el fenómeno utilizando técnicas de medición especiales, como el flash de rayos X ultrapotente del XFEL europeo en Schönefeld, cerca de Hamburgo, Alemania.
Aquí, en el láser de rayos X más potente de Europa, HZDR lidera un consorcio internacional de usuarios llamado HIBEF (Helmholtz International Beamline for Extreme Fields). Entre otras cosas, el consorcio opera un láser en la Estación Experimental de Alta Densidad de Energía (HED-HIBEF), que produce pulsos ultracortos que no tienen una energía particularmente alta: solo un julio. Sin embargo, a 30 femtosegundos, son tan pequeños que alcanzan una potencia de 100 teravatios. El equipo de investigación de HED-HIBEF utilizó este láser para disparar un fino cable de cobre de sólo 25 micrómetros de espesor. “Luego pudimos utilizar potentes destellos de rayos X del XFEL europeo para observar lo que sucedía dentro del cable”, explica el Dr. Alejandro Laso García, autor principal del artículo. “Esta combinación de láser de pulso corto y láser de rayos X es única en el mundo. Sólo gracias a la alta calidad y sensibilidad del haz de rayos X pudimos observar un efecto inesperado”.
Ondas de choque condensadas
En una serie de mediciones, los científicos variaron sistemáticamente el intervalo de tiempo entre el efecto del destello láser y el paso de los rayos X. Esto permitió grabar una “película de rayos X” detallada del evento: “Primero, el pulso láser interactúa con el cable y crea una onda de choque local que viaja a través del cable como una explosión y finalmente lo destruye”, explica HIBEF. . El jefe del departamento. Eres tunecino. “Pero antes de eso, se crean algunos electrones de alta energía mientras corren a lo largo de la superficie del cable cuando el láser lo golpea”. Estos electrones rápidos calientan rápidamente la superficie del cable y generan más ondas de choque. Luego se pasan alternativamente alrededor del centro del cable. Durante un breve momento, todas las ondas de choque chocan allí y crean presiones y temperaturas extremadamente altas.
Las mediciones muestran que la concentración de cobre en el centro del cable es brevemente de ocho a nueve veces mayor que la del cobre frío “normal”. “Nuestras simulaciones por ordenador sugieren que hemos alcanzado presiones de 800 megabares”, afirma el profesor Thomas Cowan, director del Instituto de Física de Radiaciones HZDR e iniciador del consorcio HIBEF. “Esto corresponde a 800 millones de veces la presión atmosférica y 200 veces la presión que prevalece en el interior de la Tierra”. Las temperaturas alcanzadas fueron enormes incluso para los estándares terrestres: 100.000 grados centígrados.
Perspectivas para la fusión nuclear
Estas son condiciones cercanas a la corona de una estrella enana blanca. “Nuestro método también se puede utilizar para obtener condiciones similares al interior de un planeta gaseoso gigante”, destaca Laso García. Entre ellos se incluyen no sólo gigantes conocidos como Júpiter, sino también varios exoplanetas distantes descubiertos en los últimos años. Ahora el equipo de investigación también ha estudiado cables fabricados con otros materiales, como hierro y plástico. “Los plásticos están hechos principalmente de hidrógeno y carbono”, afirma Tonsian. “Y ambos elementos se encuentran en las estrellas y en su corona”.
El nuevo método de medición debería ser útil no sólo para la astrofísica, sino también para otros campos de investigación. “Nuestro experimento muestra de forma impresionante cómo podemos crear densidades y temperaturas muy altas en una variedad de materiales”, afirmó Wolf Jastrau, director del grupo HED en el XFEL europeo. “Esto supondrá un importante paso adelante en la investigación de la fusión”. Actualmente, varios grupos de investigación y empresas emergentes de todo el mundo están trabajando en una central de energía de fusión basada en láseres de alto rendimiento.
Principio: Potentes destellos láser golpean por todos lados una cápsula de combustible hecha de hidrógeno congelado y la encienden, liberando más energía de la que estaba almacenada. mediante pulsos láser”, describe Cowan los experimentos futuros. “Esperamos que esto pueda tener un gran impacto en la investigación básica en este campo”.