科学家使用激光揭示恒星和核聚变中压力驱动电离的秘密

劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家们成功地使用了世界上最强大的激光来模拟和研究压力驱动电离，这一过程对于了解行星和恒星的结构至关重要。该研究揭示了极度压缩物质的意想不到的特性，对天体物理学和核聚变研究具有重要意义。 　　

科学家们在劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)进行了实验室实验，为巨行星和恒星中压力驱动电离的复杂过程提供了新的见解。他们的研究于 5 月 24 日发表在《自然》杂志上，揭示了物质在极端压缩下的材料特性和行为，对天体物理学和核聚变研究具有重要意义。 　

能源部 SLAC 国家加速器实验室高能量密度部主任、合作者 Siegfried Glenzer 说：“如果你能重现恒星物体中发生的情况，那么你就能真正了解它内部发生的事情。” “这就像将温度计放入恒星并测量它有多热以及这些条件对材料内部原子的影响。它可以教会我们操纵聚变能源物质的新方法。” 　　

国际研究团队利用世界上最大、能量最高的激光器国家点火装置(NIF) 来产生压力驱动电离所需的极端条件。该团队使用 184 束激光束加热空腔内部，将激光能量转化为 X 射线，加热放置在中心的 2 毫米直径铍壳。由于壳的外部因加热而迅速膨胀，内部加速向内膨胀，达到约 200 万开尔文的温度和高达 30 亿大气压的压力，并在实验室。 　　

使用 X 射线汤姆逊散射探测高度压缩的铍样品，高达其环境固体密度的 30 倍，以推断其密度、温度和电子结构。研究结果表明，在强烈加热和压缩之后，铍中至少有四分之三的电子转变为导电态。此外，该研究还发现了出乎意料的微弱弹性散射，表明剩余电子的局域化程度降低了。 　

巨行星和一些相对较冷的恒星内部的物质被上面各层的重量高度压缩。在由高压缩产生的如此高的压力下，原子核的接近导致相邻离子的电子束缚态之间的相互作用，并最终导致它们完全电离。虽然燃烧恒星中的电离主要由温度决定，但压力驱动的电离在较冷的物体中占主导地位。 　

尽管它对天体的结构和演化很重要，但压力电离作为高度电离物质的途径在理论上并没有得到很好的理解。此外，领导该项目的 LLNL 物理学家 Tilo Döppner 说，在实验室中很难创造和研究所需的极端物质状态。 　　

“通过重现类似于巨型行星和恒星内部的极端条件，我们能够观察到当前模型无法捕捉到的材料特性和电子结构的变化，”Döppner 说。“我们的工作为研究和模拟极端压缩下的物质行为开辟了新途径。致密等离子体中的电离是一个关键参数，因为它会影响状态方程、热力学性质和辐射通过不透明度的传输。” 　　

该研究还对 NIF 的惯性约束聚变实验具有重要意义，其中 X 射线吸收和可压缩性是优化高性能聚变实验的关键参数。Döppner 说，全面了解压力和温度驱动的电离对于模拟压缩材料以及最终通过激光驱动的核聚变开发丰富的无碳能源至关重要。 　　

“国家点火装置的独特能力是无与伦比的。地球上只有一个地方，我们可以在实验室中创造行星核心和恒星内部的极端压缩，并研究和观察它们，那就是世界上最大、能量最高的激光器，”NIF 发现科学项目的 Bruce Remington 说领导者。“在 NIF 先前研究的基础上，这项工作正在扩展实验室天体物理学的前沿。”