世界で最も強力なレーザーが星の圧力と核融合によって生じるイオン化の秘密を明らかにする

ローレンス・リバモア国立研究所の科学者たちは、世界で最も強力なレーザーを使用して、惑星や星の構造を理解するために不可欠なプロセスである圧力イオン化のシミュレーションと研究に成功しました。 この研究は、高度に圧縮された物質の予期せぬ特性を明らかにし、天体物理学と核融合研究に重要な意味をもたらします。

科学者たちは、ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）で室内実験を実施し、巨大な惑星や恒星における圧力誘起イオン化の複雑なプロセスについて新たな洞察をもたらした。 彼らの研究は 5 月 24 日に出版されました。 自然は、材料の特性と極度の圧力下での物質の挙動を明らかにし、天体物理学と核融合研究に重要な示唆を与えます。

「アストラル体で起こる状態を再現できれば、その中で何が起こっているのかを実際に知ることができる」と、共同研究者であるエネルギー省SLAC国立加速器研究所の高エネルギー密度部門のディレクター、ジークフリード・グレンツァー氏は語った。 「それは、星の中に温度計を入れて、その温度と、その条件が物質内の原子に与える影響を測定するようなものです。これは、核融合エネルギー源のために物質を処理する新しい方法を私たちに教えてくれます。」

国際研究チームは、世界最大かつ最も高エネルギーのレーザーである国立点火施設 (NIF) を使用して、圧力イオン化に必要な極限状態を生成しました。 研究チームは184本のレーザービームを使用して空洞の内部を加熱し、レーザーエネルギーをX線に変換し、中心に位置する直径2ミリメートルのベリリウムシェルを加熱した。 温度上昇により殻の外面が急速に膨張すると、内部は内側に向かって加速し、温度は約200万ケルビン、圧力は30億気圧に達し、矮星で見られるような小さな物質が数ナノ秒間生成された。研究室。

周囲の固体の最大 30 倍の密度を持つ、圧縮性の高いベリリウムサンプルをトムソン X 線散乱を使用して調査し、その密度、温度、電子構造を推測しました。 その結果、強い加熱と圧力の後、ベリリウム内の電子 4 つのうち少なくとも 3 つが伝導状態に遷移したことが明らかになりました。 さらに、この研究では、予想外に弱い弾性散乱が明らかになり、残留電子の局在化が低いことを示しています。

巨大な惑星やいくつかの比較的低温の星の内部の物質は、上の層の重さによってしっかりと圧縮されています。 このような高圧では、原子核の近接により、隣接するイオンの電子結合状態間の相互作用が生じ、最終的には完全にイオン化されます。 燃えている星の電離は主に温度によって決まりますが、温度が低い天体では圧力による電離が支配的です。

天体の構造と進化にとって重要であるにもかかわらず、高度にイオン化された物質の経路としての圧力イオン化は理論的にはほとんど理解されていません。 さらに、このプロジェクトを主導したLLNLの物理学者ティロ・ダブナー氏は、必要な物質の極限状態を実験室で作り出して研究することは非常に難しいと述べた。

「巨大な惑星や恒星の内部で見られるのと同様の極限状態を再現することで、現在のモデルでは捉えられない物質特性や電子構造の変化を観察することができました」とダブナー氏は述べた。 「私たちの研究は、極圧下での物質の挙動の研究とモデル化に新たな地平を切り開きます。高密度プラズマにおけるイオン化は、状態方程式、熱力学特性、不透明度を通じた放射線輸送に影響を与えるため、重要な要素です。」

この研究は、NIF での自己閉じ込め核融合実験にも重要な意味を持ちます。X 線の吸収と調整性は、高性能核融合実験を最適化するための重要な要素です。 圧力と温度によるイオン化を包括的に理解することは、圧縮された材料をモデル化し、最終的にはレーザー駆動の核融合によって豊富なカーボンフリーのエネルギー源を開発するために不可欠であるとダブナー氏は述べた。

「国立点火施設のユニークな能力は比類のないものです。実験室で惑星の核と恒星の内部の激しい圧縮を作成、研究、監視できる場所は地球上で1か所だけです。それは世界最大のレーザー上です」と述べた。ブルース・レミントン、NIF ディスカバリー・サイエンス・プログラムで最も活発な人物。 リーダー。 「NIF でのこれまでの研究の基礎に基づいて構築されたこの研究は、実験室天体物理学の限界を拡張します。」

参考文献：「圧力による K 殻の非局在化の開始の観察」T. Döppner、M. Bethkenhagen、D. Kraus、P. Neumayer、DA Chapman、B. Bachmann、RA Baggott、MP Böhme、L. Divol、 RW Falcone、LB Fletcher、OL Landen、MJ MacDonald、AM Saunders、M. Schörner、PA Sterne、J. Vorberger、BBL Witte、A. Yi、R. Redmer、SH Glenzer、DO Gericke、2023 年 5 月 24 日、入手可能ここ。 自然。
DOI: 10.1038/s41586-023-05996-8

ダブナー氏が率いるLLNL研究チームには、共著者のベンジャミン・バックマン氏、ローラン・デボル氏、オットー・ランディン氏、マイケル・マクドナルド氏、アリソン・サンダース氏、フィル・スターン氏が名を連ねた。

この先駆的な研究は、LLNL の科学発見プログラムの一環として NIF でトムソン X 線散乱を開発するための国際共同研究の結果でした。 共同研究者には、SLAC 国立加速器研究所、カリフォルニア大学バークレー校、ロストック大学 (ドイツ)、[{” attribute=””>University of Warwick (U.K.), GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research (Germany), Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (Germany), University of Lyon (France), Los Alamos National Laboratory, Imperial College London (U.K.) and First Light Fusion Ltd. (U.K.).