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A pesquisa usando o laser mais energético do mundo lançou luz sobre as propriedades da matéria altamente comprimida – essencial para entender a estrutura de planetas e estrelas gigantes e para desenvolver a fusão nuclear controlada, um processo que pode coletar energia livre de carbono.
A matéria no interior de planetas gigantes e algumas estrelas relativamente frias é altamente comprimida pelo peso das camadas acima. As pressões extremas geradas são fortes o suficiente para carregar átomos e gerar elétrons livres, em um processo conhecido como ionização. As propriedades materiais de tal matéria são principalmente determinadas pelo grau de ionização dos átomos. Enquanto a ionização em estrelas em chamas é determinada principalmente pela temperatura, a ionização impulsionada pela pressão domina em objetos estelares mais frios. No entanto, esse processo não é bem compreendido e os estados extremos da matéria necessários são muito difíceis de criar em laboratório, limitando o poder preditivo necessário para modelar objetos celestes.
Condições extremas também ocorrem em experimentos de fusão a laser, onde átomos de hidrogênio são fundidos sob altas pressões e temperaturas em hélio, um elemento mais pesado. Este processo foi anunciado como uma fonte ilimitada de energia livre de carbono – usando grande excesso de energia gerada pelas reações de fusão para gerar eletricidade. O progresso neste grande desafio científico depende muito da modelagem numérica e o equilíbrio de ionização em sistemas de alta pressão é de importância central.
A única maneira de estudar esse complexo processo no laboratório é comprimir dinamicamente a matéria a densidades extremas, o que requer entradas de energia muito grandes em um tempo muito curto. Em um novo experimento publicado hoje na Nature, os cientistas fizeram exatamente isso usando o maior e mais energético laser do mundo, o National Ignition Facility (NIF). Por meio de suas pesquisas no Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), EUA, a equipe forneceu novos insights sobre o complexo processo de ionização impulsionada pela pressão em planetas e estrelas gigantes. Eles investigaram as propriedades e o comportamento da matéria sob compressão extrema, oferecendo importantes implicações para a astrofísica e a pesquisa de fusão nuclear.
A equipe de pesquisa internacional usou o NIF para gerar as condições extremas necessárias para a ionização acionada por pressão. Eles concentraram 184 feixes de laser em uma cavidade, convertendo a energia do laser em raios-X que aqueceram uma concha de metal de 2 mm colocada no centro. À medida que o exterior da casca se expandia rapidamente devido ao aquecimento, o interior foi empurrado para dentro – atingindo temperaturas em torno de dois milhões de kelvins (1,9m graus Celsius) e pressões de até três bilhões de atmosferas – criando um minúsculo pedaço de matéria encontrado em estrelas anãs por apenas alguns nanossegundos.
A casca de metal altamente comprimida (feita de berílio) foi então analisada usando raios-X para revelar sua densidade, temperatura e estrutura eletrônica. As descobertas revelaram que, após forte aquecimento e compressão, pelo menos três em cada quatro elétrons no berílio passaram para estados condutores, ou seja, eles podem se mover independentemente dos núcleos nucleares dos átomos. Além disso, o estudo descobriu espalhamento de raios-X elástico inesperadamente fraco, indicando localização reduzida do elétron restante, que é um novo estágio pouco antes de todos os elétrons se tornarem livres e, assim, revelar os caminhos para um estado totalmente ionizado.
O físico do LLNL, Tilo Döppner, que liderou o projeto, disse: “Ao recriar condições extremas semelhantes àquelas dentro de planetas e estrelas gigantes, fomos capazes de observar mudanças nas propriedades materiais e na estrutura eletrônica que não são capturadas pelos modelos atuais. Nosso trabalho abre novas portas caminhos para estudar e modelar o comportamento da matéria sob compressão extrema. A ionização em plasmas densos é um parâmetro chave, pois afeta a equação de estado, as propriedades termodinâmicas e o transporte de radiação através da opacidade.”
O professor associado Dirk Gericke, do Departamento de Física da Universidade de Warwick, acrescentou: “Ter criado e diagnosticado essas pressões extremas em laboratório fornece uma referência inestimável para nossos modelos teóricos. Recursos preditivos aprimorados são necessários com urgência não apenas para a astrofísica, mas também para um maior progresso para a fusão nuclear controlada que permitiria colher a fonte de energia das estrelas para a humanidade.”
A pesquisa pioneira foi o resultado de uma colaboração internacional para desenvolver a dispersão de raios-x Thomson no NIF como parte do programa Discovery Science do LLNL. Os colaboradores incluíram cientistas da University of Rostock (Alemanha), University of Warwick (Reino Unido), GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research (Alemanha), University of California Berkeley, SLAC National Accelerator Laboratory, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (Alemanha), University of Lyon (França), Los Alamos National Laboratory, Imperial College London (Reino Unido) e First Light Fusion Ltd. (Reino Unido).
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