110万焦耳的紫外线激光能量：揭开恒星演化和“宇宙钟”的面纱

白矮星是最古老的恒星物体之一，因此它们的温度和可预测的生命周期使它们能够充当“宇宙钟”，从而帮助确定宇宙，附近恒星和星系的年龄。

研究人员开发了一种方法，可以在迄今为止受控实验室实验中达到的最高压力下测量物质的基本特性。

一个国际团队利用世界上能量最高的激光系统国家点火装置（NIF）的力量，开发了一种方法，可以在迄今为止达到的最高压力下测量物质的基本特性，例如状态方程（EOS）结果与巨型行星的核心条件，褐矮星内部（失败的恒星），白矮星的碳包壳以及许多应用科学计划有关。

该小组由能源部劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的研究人员领导，其中包括美国能源部SLAC国家加速器实验室的科学家。他们的论文于2020年8月5日在《自然》杂志上发表。

这组作者说，与白矮星信封的重叠特别重要-这项新研究为该体制下物质的基本特性提供了实验基准。这些结果最终将导致改进的白矮星模型，这些模型代表了宇宙中大多数恒星演化的最后阶段。它们是最古老的恒星物体之一，因此它们的温度和可预测的生命周期使它们能够作为“宇宙钟”工作，帮助确定宇宙以及附近恒星和星系的年龄。

数十亿年后，太阳和其他中低质量恒星将经历一系列的膨胀和收缩，从而导致白矮星的形成–白矮星的命运已经耗尽了核燃料，并坍塌成炽热的超级恒星。碳和氧的致密混合物。

“这是我们第一次能够在这些恒星中发现的极端条件下获取数据，而这些条件直到现在还不能在实验室中获得。” SLAC高能密度部主任西格弗里德·格伦泽（Siegfried Glenzer）说，谁参与了这项研究的早期建议。“通过结合我们在各个领域的专业知识，我们可以构建与数据相符的状态方程式。它缩小了用于描述白矮星行为方式的模型的范围，开辟了必须完成的全新工作领域。”

为了解决EOS模型在与白矮星相关的极端压力下的分歧以及各种实验室研究项目，科学家们对一种罕见的白矮星类外层碳层条件下的物质进行了首次实验室研究。 “热门DQ。”

这项研究对固体烃样品施加100至450兆巴（地球大气压力的100至4.5亿倍）的压力，以确定热DQ的对流层中的EOS（压力与压缩之间的关系）。这是有史以来最高的压力。在实验室EOS测量中。

论文的主要作者LLNL物理学家安妮·克里彻尔说：“白矮星提供了对恒星物理模型的重要测试，但在这些极端条件下的EOS模型基本上未经测试。”

“ NIF可以复制从行星和褐矮星的核心到太阳中心的各种条件，” Kritcher补充说。“我们还可以在NIF实验中推论出沿冲击Hugoniot的不透明性（Hugoniot曲线是在强冲击压缩下材料压力和密度增加的曲线图）。这是研究恒星结构和演化的必要组成部分。”

一个白矮星在NIF目标里面的综合图像。

热DQ的气氛主要由碳组成，而不像大多数白矮星那样由氢和氦组成，并且异常热和明亮。由于表面上的磁斑，一些传感器在旋转时也会脉动，从而提供可见的亮度变化。研究人员说，分析这些变异“为白矮星模型提供了严格的测试，并为恒星演化后期阶段的结果提供了详细的图片。”

他们补充说，然而，与数亿个大气压下的白矮星信封有关的当前EOS模型可能相差近10％，“对于恒星演化模型而言，这是一个很大的不确定性。”克里彻说，以前的研究人员称这是“本构物理学中最薄弱的环节”，为白矮星建模提供了信息。

NIF研究可以通过提供第一个EOS数据来解决差异，该数据可以到达热DQ对流区深处的条件-模型显示出最大的变化性。实验结果与EOS模型一致，该模型认识到极端压力可以在多大程度上将内壳电子从其碳原子剥离，从而降低了不透明性并提高了所得电离等离子体的可压缩性。

EOS研究是由罗杰·法尔科内（Roger Falcone）及其学生和加州大学伯克利分校的博士后，其他NIF学术用户以及LLNL的早期职业科学家发起的NIF探索科学“ Gbar（千兆位，即十亿个大气压）运动”的产物。 。它得到了LLNL实验室指导的研究与开发计划，加利福尼亚大学总统办公室，国家核安全局和能源部科学办公室的支持。

Falcone说：“ NIF探索科学计划使我们的研究团队（来自大学，国家实验室和行业的研究人员）能够长期合作，从根本上了解物质在最极端的压力和温度下的行为。”“ NIF是世界上唯一能够创建和探测这些条件的设施，其专家支持团队是我们成功的关键。本文强调了这种合作的优势，并为基础研究如何在包括天体物理学在内的许多领域中找到应用提供了证据。

在EOS实验中，NIF的激光将110万焦耳的紫外光传递到了铅笔大小的空心金筒（称为hohlraum）的内部，形成了均匀的X射线“浴”，峰值辐射温度接近350万度。 。X射线被安装在大炮中心的固体塑料球吸收。

该塑料被X射线加热并烧蚀，或像火箭废气一样被吹散，产生烧蚀压力，并以每秒150至220公里的速度向目标胶囊的中心发射会聚的冲击波。这些冲击合并成一个更大的冲击，其压力接近地球大气层的十亿倍。

研究人员使用时间和空间分辨的条纹X射线射线照相技术确定了Hugoniot（激波前沿的密度和压力）。研究表明，在低温和环境温度下进行的实验（在产生不同的初始起始密度时）以及使用不同的激光脉冲形状的实验，结果都是一致的。他们还通过X射线Thomson散射测量了大块电击材料的电子温度和电离度。

Kritcher说：“我们测量了在高压下不透明性的降低，这与碳内壳的显着电离有关。”沿着Hugoniot的压力范围对应于白矮星的碳包层中的条件。我们的数据与状态方程模型一致，其中包括详细的电子外壳结构。

她说，与没有电子外壳的模型相比，这些模型“在Hugoniot中表现出更大的弯曲度和更高的最大压缩率，”这暗示着EOS的“软化”。由于这种“压力电离”，导致压缩增加。

研究人员得出结论，实验数据可以为更好的脉动DQ恒星模型和更准确地确定其内部结构，脉动特性，光谱演化和复杂起源提供帮助。

参考：Andrea L. Kritcher，Damian C. Swift，TiloDöppner，Benjamin Bachmann，Lorin X. Benedict，Gilbert W. Collins，Jonathan L. DuBois，Fred Elsner，“白矮星碳壳状态方程的测量”， Gilles Fontaine，Jim A.Gaffney，Sebastien Hamel，Amy Lazicki，Walter R.Johnson，Natalie Kostinski，Dominik Kraus，Michael J.MacDonald，Brian Maddox，Madison E.Martin，Paul Neumayer，Abbas Nikroo，Joseph Nilsen，Bruce A雷明顿，迪迪埃·索蒙，菲利普·斯特恩，温迪·斯威特，阿尔弗雷多·科雷亚，希瑟·惠特利，罗杰·法尔科内和齐格弗里德·H·格兰泽，2020年8月5日，自然。
10.1038 / s41586-020-2535-y

这项研究得到了美国能源部科学办公室的支持.LLNL研究人员Damian Swift，TiloDöppner，Benjamin Bachmann，Lorin Benedict，Jonathan DuBois，Jim Gaffney，Sebastien Hamel，Amy Jenei，Natalie Kostinski共同加入了Kritcher，Falcone和Glenzer的论文，麦克·麦克唐纳，布莱恩·马多克斯，麦迪逊·马丁，阿巴斯·尼克鲁，乔·尼尔森，布鲁斯·雷明顿，菲利普·斯特恩，阿尔弗雷多·科雷亚·特德斯科和希瑟·惠特利； Rip Collins，罗彻斯特大学激光能量学实验室； Wendi Sweet和Fred Elsner，通用原子；蒙特利尔大学的Gilles Fontaine；圣母大学的沃尔特·约翰逊（Walter Johnson）； Dominik Kraus，Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf和德国德累斯顿工业大学固体与材料物理研究所； Paul Neumayer，德国达姆施塔特GSI亥姆霍兹重离子研究中心；洛杉矶Alamos国家实验室的Didier Saumon； SLAC国家加速器实验室的Siegfried Glenzer。