Keadaan di alam semesta kita yang luas sangat berbeza. Kejatuhan benda langit yang ganas meninggalkan bekas luka di permukaan planet. Tindak balas nuklear di hati bintang menghasilkan sejumlah besar tenaga. Letupan raksasa akan melontarkan bahan jauh ke angkasa. Tetapi bagaimana proses seperti ini terus berjalan? Apa yang mereka ceritakan tentang alam semesta? Bolehkah kuasa mereka digunakan untuk kepentingan umat manusia?
Untuk mengetahui, para saintis di SLAC National Accelerator Laboratory telah melakukan eksperimen canggih dan simulasi komputer yang mencipta semula keadaan ruang yang keras pada skala mikro makmal.
"Bidang astrofizik makmal berkembang dengan pesat dan didorong oleh sejumlah kemajuan teknologi," kata Siegfried Glenzer, ketua bahagian sains ketumpatan tenaga tinggi di SLAC. "Kami sekarang mempunyai laser yang kuat untuk membuat keadaan jirim yang melampau, sumber sinar-X canggih untuk menganalisis keadaan ini pada tahap atom, dan superkomputer berprestasi tinggi untuk simulasi kompleks yang memandu dan membantu menjelaskan eksperimen kami. Dengan banyak peluang di bidang ini, SLAC menjadi tempat yang sangat subur untuk penyelidikan semacam ini."
Tiga kajian terbaru yang menyoroti pendekatan ini melibatkan serangan meteor, teras planet gergasi dan pemecut zarah kosmik berjuta-juta kali lebih kuat daripada Large Hadron Collider, pemecut zarah terbesar di Bumi.
"Pernak-pernik" kosmik menunjukkan meteor
Telah diketahui bahawa tekanan tinggi dapat mengubah bentuk lembut karbon - grafit, yang digunakan sebagai timbal - menjadi bentuk karbon yang sangat berat, berlian. Mungkinkah ini terjadi sekiranya meteor memukul grafit di tanah? Para saintis percaya bahawa mereka dapat, dan bahawa jatuhan ini, sebenarnya, cukup kuat untuk menghasilkan apa yang mereka sebut lonsdaleite, bentuk berlian khas yang bahkan lebih kuat daripada berlian biasa.
"Keberadaan lonsdaleite telah dipertikaikan, tetapi sekarang kami telah menemukan bukti yang kuat untuk ini," kata Glenzer, penyiasat utama makalah itu, yang diterbitkan pada bulan Mac di Nature Communications.
Video promosi:
Para saintis memanaskan permukaan grafit dengan denyut laser optik yang kuat, yang menghantar gelombang kejutan ke dalam sampel dan memampatkannya dengan cepat. Dengan sinar-sinar LCLS ultrafast yang terang dan terang melalui sumbernya, para saintis dapat melihat bagaimana kejutan tersebut mengubah struktur atom grafit.
"Kami melihat bentuk lonsdaleite dalam beberapa sampel grafit dalam beberapa miliar detik dan pada tekanan 200 gigapascals (2 juta kali tekanan atmosfera di permukaan laut)," kata penulis utama Dominik Krautz dari Pusat Helmholtz Jerman, yang berpusat di California. Universiti di Berkeley pada masa penyelidikan. "Hasil ini sangat menyokong idea bahawa kesan ganas dapat mensintesis bentuk berlian ini, dan ini, seterusnya, dapat membantu kita mengenal pasti lokasi impak meteor."
Planet gergasi mengubah hidrogen menjadi logam
Kajian kedua, yang diterbitkan baru-baru ini di Nature Communications, melihat transformasi penting lain yang mungkin berlaku di dalam planet gas gergasi seperti Musytari, bahagian dalamnya kebanyakannya hidrogen cair: pada suhu dan tekanan tinggi, bahan ini beralih dari "normal", keadaan penebat elektrik menjadi logam, konduktif.
"Memahami proses ini memberikan perincian baru mengenai pembentukan planet dan evolusi sistem suria," kata Glenzer, yang juga merupakan salah satu penyelidik utama karya ini. "Walaupun peralihan seperti itu sudah diramalkan pada tahun 1930-an, kami tidak pernah membuka jendela langsung ke proses atom."
Ia tidak dibuka sehingga Glenzer dan rakan-rakan saintisnya melakukan eksperimen di Laboratorium Nasional Livermore (LLNL), di mana mereka menggunakan laser Janus berkuasa tinggi untuk dengan cepat memerah dan memanaskan sampel deuterium cair, bentuk hidrogen yang berat, dan membuat pecah sinar-X., yang menunjukkan perubahan struktur yang konsisten dalam sampel.
Para saintis telah melihat bahawa di atas tekanan 250,000 atmosfera dan suhu 7,000 darjah Fahrenheit, deuterium memang berubah dari cecair penebat neutral menjadi logam ionik.
"Simulasi komputer menunjukkan bahawa peralihan bertepatan dengan pemisahan dua atom, biasanya terikat dalam molekul deuterium," kata penulis utama Paul Davis, seorang pelajar siswazah di University of California, Berkeley pada saat penulisan. "Nampaknya, tekanan dan suhu gelombang kejutan yang disebabkan oleh laser merobek molekul, elektronnya menjadi tidak terikat dan dapat mengalirkan elektrik."
Selain sains planet, penelitian ini juga dapat membantu penelitian yang bertujuan menggunakan deuterium sebagai bahan bakar nuklear untuk reaksi termonuklear.
Cara membina pemecut ruang
Contoh ketiga alam semesta ekstrem, alam semesta "di ambang", adalah pemecut zarah ruang yang sangat kuat - berhampiran lubang hitam supermasif, misalnya - memancarkan aliran gas terion, plasma, beratus-ratus ribu tahun cahaya ke angkasa. Tenaga yang terkandung dalam arus ini dan medan elektromagnetiknya dapat diubah menjadi zarah yang sangat bertenaga yang menghasilkan letupan sinar gamma yang sangat pendek tetapi kuat yang dapat dikesan di Bumi.
Para saintis ingin mengetahui bagaimana pemecut tenaga ini berfungsi, kerana ia akan membantu memahami alam semesta. Di samping itu, idea baru untuk membina pemecut yang lebih kuat dapat diambil dari ini. Bagaimanapun, pecutan zarah adalah inti dari banyak eksperimen fizik asas dan alat perubatan.
Para saintis percaya bahawa salah satu daya penggerak utama di belakang pemecut ruang adalah "penyambungan semula magnetik" - proses di mana garis medan magnet dalam plasma pecah dan menyambung semula dengan cara yang berbeza, melepaskan tenaga magnet.
"Penyambungan semula magnet sebelumnya telah diperhatikan di makmal, misalnya, dalam eksperimen dengan perlanggaran dua plasma yang diciptakan menggunakan laser berkuasa tinggi," kata Frederico Fiuza, seorang saintis di Bahagian Sains Kepadatan Tenaga Tinggi dan penyiasat utama kertas teori yang diterbitkan dalam Surat Kajian Fizikal pada bulan Mac. … “Walaupun begitu, tidak ada satu pun eksperimen laser yang mengamati pecutan zarah nontermal - pecutan tidak berkaitan dengan pemanasan plasma. Hasil kerja kami menunjukkan bahawa dengan reka bentuk tertentu, eksperimen kami harus melihatnya."
Pasukannya menjalankan satu siri simulasi komputer yang meramalkan bagaimana zarah plasma harus berkelakuan dalam eksperimen tersebut. Pengiraan yang paling serius, berdasarkan 100 bilion zarah, memerlukan lebih dari sejuta jam CPU dan lebih dari satu terabyte memori pada komputer super Mira di Argonne National Laboratory.
"Kami telah mengenal pasti parameter utama untuk pengesan yang diperlukan, termasuk julat tenaga di mana mereka akan beroperasi, resolusi tenaga yang diperlukan dan lokasi dalam eksperimen," kata penulis utama Samuel Totorika, seorang pelajar siswazah di Stanford University. "Hasil kami mewakili resipi untuk merancang eksperimen masa depan yang ingin mengetahui bagaimana zarah mendapatkan tenaga dari penyambungan semula magnetik."
