在世界上最大的激光器,位于加州利弗莫尔的国家点火装置(NIF),你可以发现科学家们使用192个高功率激光器随意制造出类似恒星的条件。宇宙中的恒星是通过一个叫做核合成的过程形成的,这个过程将较轻的原子融合在一起,产生新的较重的原子核。地球上发现的自然元素,如氦和铝,都是在一颗类似太阳的恒星内部通过这一过程形成的。
NIF激光束的能量在一个相当于三个足球场长度的建筑中被放大,然后聚焦在充满气体或冰的微型胶囊上,这些胶囊的壁厚为18微米(大约是人类头发的厚度),外径为3毫米。胶囊被精确地放置在直径为10米的靶室的中心。这就像试图把一只蚂蚁精确地放在校车的正中央。当所有192束激光轰击太空舱时,它们会内爆,产生非常热和非常密集的恒星状环境。
NIF正在进行的实验正在研究太阳中主要的核合成过程之一,在类似恒星的条件下,两个氦离子之间的3He-3He反应。这个反应产生了太阳近一半的能量,因为它将氢燃烧成氦。
麻省理工学院的项目首席科学家玛丽亚·加图·约翰逊博士说:“这些实验的酷之处在于,与早期在地球上的研究不同,我们实际上是在与恒星相似的温度和密度条件下探测这种反应。”
本周,在佛罗里达州劳德代尔堡举行的美国物理学会等离子体物理分会会议上,Gatu Johnson博士将报告如何在一系列条件下的实验中观察到来自太阳3He-3He反应的质子。
“令人惊讶的是,”Gatu Johnson博士说,“初步结果表明,在较低的温度下,相对而言,能量较高的质子比能量较低的质子更多。”
这些结果将帮助科学家为这一复杂反应的理论计算增加重要的限制,并估计3He-3He反应发生的概率,以及太阳中其他重要过程。目前计划在2020年2月再进行一轮实验,加图·约翰逊博士计划在那里更好地描述在类似恒星的条件下达到的温度。
这些实验是利用激光在类恒星条件下研究核合成反应和相关现象的新努力的一部分。
劳伦斯利弗莫尔国家实验室的联合首席研究员亚历克斯·齐尔斯特拉博士说:“高能量密度等离子体是地球上唯一一个能够重现宇宙中元素产生的极端条件的实验室。”这项工作将在未来继续使用这个平台来探测其他核合成反应和相关现象——这是研究恒星物质如何形成的一种新的、创造性的方法!
这项工作得到了美国能源部和国家核安全管理局的部分支持(DE-NA0001857, DE-NA0002949, DE-NA0002905, DE-FG02-88ER40387, DE-NA-0001808,卓越中心资助DE-NA0003868)。
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