Ученые создали условия, подобные звездным, внутри тонкой проволоки! Как это возможно?

Понимание процессов, происходящих в глубинах космоса — задача, стоящая перед наукой на протяжении многих веков. Недра планет-гигантов, взрывы сверхновых, мощнейшие струи вещества, выбрасываемые черными дырами, — все эти явления связаны с экстремальными условиями, недоступными для прямого наблюдения. Давления и температуры, царящие в этих космических объектах, настолько велики, что воссоздать их в обычных лабораториях крайне сложно. Однако ученые, используя передовые технологии, нашли способ приблизиться к пониманию этих экзотических условий, воспроизводя их на Земле с помощью мощных лазеров.

В недавнем исследовании, опубликованном в престижном научном журнале Nature Communications, международная группа ученых представила миру новый метод создания экстремальных состояний вещества. В его основе лежит воздействие мощного фемтосекундного лазера на тонкие металлические проволоки. Лазерный импульс, сфокусированный на поверхности проволоки, запускает каскад процессов, приводящих к возникновению сходящейся цилиндрической ударной волны. Эта волна, распространяясь к центру проволоки, сжимает вещество до давлений, сравнимых с теми, что существуют в недрах планет-гигантов, например, Юпитера.

Уникальность этого метода заключается в геометрии сжатия. В отличие от большинства экспериментов по ударному сжатию, где волна воздействует на вещество с одной стороны, в данном случае сжатие происходит радиально, со всех сторон одновременно. Такой подход позволяет достичь значительно более высоких значений давления и плотности вещества, открывая новые горизонты для исследования экстремальных состояний материи.

Для изучения динамики сжатия и поведения вещества под воздействием ударной волны ученые использовали уникальный инструмент — рентгеновский лазер на свободных электронах European XFEL. Этот лазер способен генерировать ультракороткие импульсы рентгеновского излучения, которые позволяют получать «снимки» сверхбыстрых процессов, таких как распространение ударных волн в веществе.

Благодаря этой «рентгеновской съемке» исследователи смогли детально проследить за динамикой ударной волны в медной проволоке. Они измерили скорость ее движения, а также оценили степень сжатия вещества в различные моменты времени. Полученные экспериментальные данные были тщательно сопоставлены с результатами компьютерного моделирования, проведенного с помощью специализированных программных кодов. Такой комплексный подход позволил не только подтвердить работоспособность предложенного метода, но и глубже понять физические механизмы, лежащие в основе генерации и распространения ударной волны.

Результаты этого исследования имеют огромное значение для фундаментальной науки. Они открывают новые возможности для изучения экстремальных состояний вещества, которые ранее были недоступны для прямых экспериментальных наблюдений. Ученые полагают, что данный метод может быть использован для изучения свойств веществ при давлениях и температурах, характерных для недр Юпитера, белых карликов и других астрофизических объектов. Это позволит получить ценную информацию о процессах, протекающих в глубинах космоса, и, возможно, приблизит нас к разгадке некоторых тайн Вселенной.

Еще одним преимуществом разработанного метода является высокая частота повторения лазерных импульсов, достигающая одного выстрела в минуту. Это позволяет проводить эксперименты с большой статистикой, что значительно повышает точность измерений и расширяет возможности исследования.

В будущем ученые планируют расширить область применения метода, изучая с его помощью поведение различных материалов, включая углерод и железо, которые играют ключевую роль в процессах формирования планет и звезд. Это позволит получить новые знания о физике экстремальных состояний вещества и внесет важный вклад в развитие астрофизики и планетологии.