Las condiciones en el vasto universo pueden ser bastante extremas: colisiones violentas cicatrizan las superficies de los planetas. Las reacciones nucleares en estrellas brillantes generan enormes cantidades de energía. Las explosiones gigantescas catapultan la materia en el espacio. Pero, ¿cómo se desarrollan exactamente estos procesos?¿Nos cuentan sobre el universo? ¿Y podría aprovecharse su poder en beneficio de la humanidad?
Para averiguarlo, los investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía realizan experimentos sofisticados y simulaciones por computadora que recrean condiciones cósmicas violentas a pequeña escala en el laboratorio.
"El campo de la astrofísica de laboratorio está creciendo muy rápidamente, impulsado por una serie de avances tecnológicos", dice Siegfried Glenzer, jefe de la División de Ciencia de Alta Densidad de Energía de SLAC. "Ahora tenemos láseres de alta potencia para crear estados extremos de materia,Fuentes de rayos X de vanguardia para analizar estos estados a nivel atómico, y supercomputadoras de alto rendimiento para ejecutar simulaciones complejas que guían y ayudan a explicar nuestros experimentos. Con sus capacidades sobresalientes en estas áreas, SLAC es un terreno particularmente fértil para este tipode investigación."
Tres estudios recientes ejemplifican este enfoque, arrojando luz sobre los impactos de meteoritos, los núcleos de planetas gigantes y aceleradores de partículas cósmicas un millón de veces más potentes que el Gran Colisionador de Hadrones, la pista de carreras de partículas más grande de la Tierra.
'Bling' cósmico como marcador de impactos de meteoritos
La alta presión puede convertir una forma blanda de carbono, grafito, utilizado como mina de lápiz, en una forma extremadamente dura de carbono, diamante. ¿Podría suceder lo mismo cuando un meteorito golpea el grafito en el suelo? Los científicos han predicho quepodría, y que estos impactos, de hecho, podrían ser lo suficientemente potentes como para producir una forma de diamante, llamada lonsdaleita, que es aún más dura que el diamante normal.
"La existencia de lonsdaleita ha sido discutida, pero ahora hemos encontrado evidencia convincente de ello", dice Glenzer, el investigador co-principal de un estudio publicado el 14 de marzo en Comunicaciones de la naturaleza .
El equipo calentó la superficie de grafito con un potente pulso láser óptico que provocó una onda de choque dentro de la muestra y la comprimió rápidamente. Al hacer brillar rayos X ultrarrápidos de la fuente de luz coherente Linac de láser de rayos X de SLAC LCLSA través de la muestra, los investigadores pudieron ver cómo el choque cambió la estructura atómica del grafito. LCLS es una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE.
"Vimos que la lonsdaleita se formó para ciertas muestras de grafito en unas pocas billonésimas de segundo y a una presión de aproximadamente 200 gigapascales, 2 millones de veces la presión atmosférica al nivel del mar", dice el autor principal Dominik Kraus del Centro Alemán HelmholtzDresden-Rossendorf, quien era un investigador postdoctoral en la Universidad de California, Berkeley en el momento del estudio. "Estos resultados respaldan firmemente la idea de que los impactos violentos pueden sintetizar esta forma de diamante, y que los rastros de él en el suelo podrían ayudaridentificar sitios de impacto de meteoritos "
Los planetas gigantes convierten el hidrógeno en metal
Un segundo estudio, publicado hoy en Comunicaciones de la naturaleza , observó otra transformación peculiar que podría ocurrir dentro de planetas gaseosos gigantes como Júpiter, cuyo interior está hecho en gran parte de hidrógeno líquido: a alta presión y temperatura, se cree que este material cambia de su estado "normal" de aislamiento eléctrico a un estadometálico, conduciendo uno.
"Comprender este proceso proporciona nuevos detalles sobre la formación de planetas y la evolución del sistema solar", dice Glenzer, quien también fue el co-investigador principal de este estudio. "Aunque la transición ya se había predicho en la década de 1930, 'nunca he tenido una ventana directa a los procesos atómicos "
Es decir, no hasta que Glenzer y sus colegas científicos realizaron un experimento en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore LLNL, donde utilizaron el láser Janus de alta potencia para comprimir y calentar rápidamente una muestra de deuterio líquido, una forma pesada de hidrógeno,y para crear una explosión de rayos X que sondeó los cambios estructurales posteriores en la muestra.
El equipo vio que por encima de una presión de 250,000 atmósferas y una temperatura de 7,000 grados Fahrenheit, el deuterio en realidad cambió de un fluido neutro y aislante a uno metálico ionizado.
"Las simulaciones por computadora sugieren que la transición coincide con la separación de los dos átomos normalmente unidos en moléculas de deuterio", dice el autor principal Paul Davis, que era un estudiante graduado en la Universidad de California, Berkeley y LLNL en el momento delestudio "Parece que a medida que la presión y la temperatura de la onda de choque inducida por el láser desgarran las moléculas, sus electrones se liberan y pueden conducir la electricidad".
Además de la ciencia planetaria, el estudio también podría informar la investigación energética destinada a utilizar el deuterio como combustible nuclear para reacciones de fusión que replican procesos análogos dentro del sol y otras estrellas.
Cómo construir un acelerador cósmico
En un tercer ejemplo del universo extremo, los aceleradores de partículas cósmicas tremendamente potentes, cerca de agujeros negros supermasivos, por ejemplo, impulsan corrientes de gas ionizado, llamadas plasma, cientos de miles de años luz en el espacio. La energía almacenada enestas corrientes y en sus campos electromagnéticos pueden convertirse en unas pocas partículas extremadamente energéticas, que producen explosiones muy breves pero intensas de rayos gamma que se pueden detectar en la Tierra.
Los científicos quieren saber cómo funcionan estos potenciadores de energía porque les ayudaría a comprender mejor el universo. También les podría dar nuevas ideas para construir mejores aceleradores: pistas de carreras de partículas que están en el corazón de una gran cantidad de experimentos de física fundamentales ydispositivos médicos.
Los investigadores creen que una de las principales fuerzas impulsoras detrás de los aceleradores cósmicos podría ser la "reconexión magnética", un proceso en el cual las líneas del campo magnético en los plasmas se rompen y se reconectan de una manera diferente, liberando energía magnética.
"La reconexión magnética se ha observado antes en el laboratorio, por ejemplo, en experimentos con dos plasmas en colisión que fueron creados con láseres de alta potencia", dice Frederico Fiúza, investigador de la División de Ciencias de la Densidad de Alta Energía de SLAC e investigador principal de unestudio teórico publicado el 3 de marzo en Cartas de revisión física . "Sin embargo, ninguno de estos experimentos con láser ha visto una aceleración de partículas no térmica, una aceleración no solo relacionada con el calentamiento del plasma. Pero nuestro trabajo demuestra que con el diseño correcto, los experimentos actuales deberían poder verlo"
Su equipo realizó una serie de simulaciones por computadora que predijeron cómo se comportarían las partículas de plasma en tales experimentos. Los cálculos más exigentes, con aproximadamente 100 mil millones de partículas, tomaron más de un millón de horas de CPU y más de un terabyte de memoria en el Laboratorio Nacional de ArgonneMira supercomputadora.
"Determinamos los parámetros clave para los detectores requeridos, incluido el rango de energía en el que deberían operar, la resolución de energía que deberían tener y dónde deben ubicarse en el experimento", dice el autor principal del estudio, Samuel Totorica, PhDestudiante en el grupo de Tom Abel del Instituto Kavli de Astrofísica y Cosmología de Partículas KIPAC de la Universidad de Stanford y SLAC. "Nuestros resultados son una receta para el diseño de futuros experimentos que quieran estudiar cómo las partículas obtienen energía a través de la reconexión magnética".
Los impactos de meteoritos, la ciencia planetaria y los aceleradores cósmicos son solo tres de una gran cantidad de temas de astrofísica de laboratorio que se discutirán en la 11ª Conferencia Internacional sobre Astrofísica de Laboratorio de Alta Densidad de Energía HEDLA2016, que se celebrará del 16 al 20 de mayo en SLAC.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencias de revistas :
Cite esta página :