科学家实验室模拟极端宇宙环境:试图解开宇宙之谜

来源:新浪科技
2016-05-06 13:51:00
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科学家实验室模拟极端宇宙环境:试图解开宇宙之谜

  科学家希望通过在实验室中模拟基础物理情境来更好地理解宇宙中一些暴力的现象。

科学家实验室模拟极端宇宙环境:试图解开宇宙之谜

  在科学家建立的第三个极端宇宙模型中,他们模拟出的强大的宇宙粒子“加速器”(如超大质量黑洞),能够将等离子体推送到数十万光年之外。科学家希望能弄清这些能量“助推器”运作的原理,从而进一步增强对宇宙的了解。

  新浪科技讯 北京时间5月6日消息,宇宙是一个非常暴戾的地方。陨石在行星表面留下累累疤痕,黑洞将附近的一切都吞入腹中,剧烈的爆炸向四面八方投射碎石……但这些过程究竟是如何形成的呢?

  为了解开这个谜团,研究人员在SLAC国家加速器实验室中重新建立了一个“极端宇宙”。SLAC国家加速器实验室位于美国加利福尼亚,成立于1962年。该实验室的目标是,通过将电子加速到接近光速,来促进对亚原子粒子的研究。

  “我们用高能激光束来创造出物质的极端状态,并在原子级别上,用最先进的X激光源对这些物质的状态进行分析。” SLAC实验室的一名科学家西格弗里德?格朗则(Siegfried Glenzer)说道。

  在近期开展的三项研究中,科学家通过实验室实验,了解到了更多与陨石撞击、巨行星内核、以及宇宙粒子相关的细节。

  第一项研究的研究目标是,如果陨石撞击在石墨构成的天体表面上,是否能将其转化为钻石。科学家此前预言称,这样的撞击也许可以将石墨转化为一种名叫蓝丝黛尔石的钻石,比常规的钻石硬度还要高。

  “蓝丝黛尔石的存在一直备受争议,但我们如今找到了令人信服的证据。”格朗则说道。

  该研究团队使用了高能激光脉冲来加热石墨表面。该激光脉冲能够向样品内部发射冲击波,并迅速将其压缩。凭借从样品内部穿过的超快X光,研究人员成功观察到了冲击波改变石墨原子结构的过程。

科学家实验室模拟极端宇宙环境:试图解开宇宙之谜

  第一项研究的研究目标是,如果陨石撞击在石墨构成的天体表面上,是否能将其转化为钻石。该研究团队使用了高能激光脉冲来加热石墨表面。该激光脉冲能够向样品内部发射冲击波,并迅速将其压缩。凭借从样品内部穿过的超快X光,研究人员成功观察到了冲击波改变石墨原子结构的过程。

科学家实验室模拟极端宇宙环境:试图解开宇宙之谜

  第二项研究关注的是一种可能发生在木星等巨型气体行星内部的转化过程。科学家认为,在高压和高温下,液态氢气会从“平常”的电绝缘状态转化为金属般的、可导电的状态。如果能理解这一过程,我们将了解到更多与行星形成过程和太阳系演化过程有关的细节。

  第二项研究关注的是一种可能发生在木星等巨型气体行星内部的转化过程。科学家认为,在高压和高温下,液态氢气会从“平常”的电绝缘状态转化为金属般的、可导电的状态。

  “如果能理解这一过程,我们将了解到更多与行星形成过程和太阳系演化过程有关的细节。”格朗则说道,他也参与了这一项研究,“虽然早在上世纪30年代,就有人提出了这一转化过程,但我们一直没有直接研究原子变化过程的机会。”

  直到格朗则和同事们在劳伦斯?利弗莫尔国家实验室(LLNL)开展了实验,他们才获得了这样的机会。他们使用该实验室的大功率Janus激光器,快速压缩并加热了一份液态氘样品(即重氢)。然后他们同样利用X光,对样品结构的变化进行了观察。

  该团队发现,当压力达到25万个大气压、温度达到7000华氏度(约合3871摄氏度)时,重氢确实从中性、具有绝缘性的液体变成了离子化的、具有金属性质的液体。

  “电脑模拟结果显示,当转变发生时,重氢分子中两个原本结合在一起的原子分开了,”加州大学伯克利分校的一名研究生、该研究的主要作者保罗?戴维斯(Paul Davis)说道,“冲击波产生的高压和高温似乎将重氢分子扯成了两半,导致它们的电子变成了游离态,因此具有了导电性。”

  在科学家建立的第三个极端宇宙模型中,他们模拟出的强大的宇宙粒子“加速器”(如超大质量黑洞),能够将等离子体推送到数十万光年之外。这些“加速器”和它们的电磁场中储存的能量能够转化为少量能量极高的粒子,产生短暂但强度极大的伽马射线。

  科学家希望能弄清这些能量“助推器”运作的原理,从而进一步增强对宇宙的了解。该实验还能为设计更好的加速器提供新的灵感。而加速器是许多基础物理实验和医疗设备的核心所在。

  研究人员认为,磁重联现象可能是宇宙“加速器”的主要动力来源之一。磁重联现象是指磁场线在等离子体中断开、然后以另一种方式重新联结在一起、并释放出磁能的过程。

  研究人员进行了大量计算机模拟,判断等离子体在这样的实验中将有着怎样的表现。

  “如果未来有人想通过实验研究粒子是如何从磁重联中获得能量的,我们的研究结果便为他们提供了一个窍门。”该研究的主要作者塞穆尔?托多利卡(Samuel Totorica)说道。(叶子)

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