在受控实验中制造出的最大压力

人类首次在实验室里制造出超过地球核心处100倍的压力。

借助世界上功率最强的激光系统,物理学家使固体碳氢化合物样品承受的压力高达450兆巴,是地球海平面气压的4.5亿倍。或者说,相当于在稀有类型的白矮星的碳包层中的压力。所以,新的压力记录可帮助我们更好地理解压力对恒星亮度的影响。

宇宙中的大多数恒星都将以白矮星作为终点,包括我们的太阳。当它们到达主序列的氢融合末期时,它们最终会把大部分物质喷出,核心塌陷成白矮星。

白矮星极其致密。只有叫做电子简并压力的东西才能阻止恒星在自身引力作用下坍塌。

在大约100兆巴的压力下,电子从原子核中剥离出来,而且,由于相同的电子不能占据相同的空间,因此这些电子提供了向外的压力,可防止恒星塌陷。

该压力不仅影响材料的可压缩性,还降低了由于电子损失而电离的等离子体的不透明性。这些特性之间的联系由材料的状态方程描述。

但是,在极端压力下,状态方程(EOS)模型存在一些问题。对于白矮星,如果考虑EOS在被称为Hugoniot激波上的数值——绘制压缩时压力和密度增加的曲线——结果会出现10%的差异。

当我们尝试刻画宇宙的基本性质时,这可能是一个问题,因为白矮星应该是可以预见的。尽管它们发光,但是光仅来自余热,而非聚变,因此它们的冷却速率可以用作确定宇宙年龄和周围恒星年龄的钟。

因此,研究团队尝试用劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的国家点火项目(NIF)的激光系统解决此问题。

实验装置包括一个空心的金圆柱体,里面是一毫米大小的碳氢化合物(塑料)珠子。然后用激光发出的110万焦耳的紫外线照射,形成均匀的X射线浴,将塑料球加热到接近350万开尔文。

珠子的外层因烧蚀而被破坏,产生了球形的烧蚀冲击波,其传播速度高达每秒220公里,并会聚成球面,从而导致通过珠子的压力增加。

这一切发生得非常快——冲击波只需9纳秒就能穿过整个样品——但研究小组还是利用X射线射线照相技术记录下了Hugoniot的冲击:外部已达100兆巴的压力。到达中间时,达到450兆巴。

地球核心内部的压力为3.6兆巴。以前,在受控实验中达到的最高压力为60兆巴。

“我们测量了在高压下不透明度的降低,这与碳内壳的明显电离有关。沿着Hugoniot的压力范围对应于白矮星的碳包层中的条件。我们的数据与状态方程模型一致,其中包括详细的电子壳结构。”

这意味着与没有电子外壳的模型相比,电离最终使材料具有更高的可压缩性。

实验报告发表在《自然》上。

原文:https://www.sciencealert.com/in-a-lab-here-on-earth-scientists-have-replicated-pressures-found-on-white-dwarf-stars

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