科學家複製了白矮星內的壓力,是地球海平面大氣壓的4.5億倍

2020-12-03 萬象經驗

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利用世界上最高能量的雷射系統,物理學家將固體碳氫化合物樣品短暫地置於高達450兆巴的壓力之下,這相當於地球海平面上大氣壓力的4.5億倍。這也是首次在實驗室中產生了超過地核100倍的壓力,創造了一個新的記錄。這也相當於在一種罕見的白矮星的碳主導的包層中發現的壓力大小。它可以幫助我們更好地理解這些壓力對恆星亮度變化的影響。

宇宙中的大多數恆星都會以白矮星的形式結束生命,這其中也包括我們的太陽。當它們的主序時期結束時,也就是它們把全部氫燃料完全聚變成氦的時候,它們將膨脹成紅巨星,最終將外層大部分物質將噴射到太空中,留下一個緻密的以碳為主的緻密核心——白矮星。

白矮星的最大質量可以達到1.44倍的太陽質量,但是它的直徑卻只有地球大小,因此它的密度非常大,內部壓力也非常大。在大約100兆的壓力下,電子從原子核中被剝離出來。根據泡利不相容原理,相同的電子不能佔據相同的量子態,因此這些電子將會產生一種排斥力——電子簡併壓力,用來抵抗自身引力引起的收縮。

這種強大的壓力不僅影響了材料的可壓縮性,還降低了由於電子丟失而電離的等離子體的不透明度。這些性質之間的聯繫由材料的狀態方程來描述,它也可以用來計算諸如溫度分布和冷卻速率等性質。

但是,在極端壓力下的狀態方程模型中存在一些分歧,對於白矮星來說,模型所繪製的在壓縮狀態下壓力和密度增加的曲線偏離了真實狀態的10%。當試圖了解宇宙的基本性質時,這可能是一個問題,因為白矮星應該是相當可預測的。雖然它們發光,但光只是來自殘餘熱量而不是核聚變,因此它們的冷卻速度可以作為一種時鐘來確認宇宙的年齡。

白矮星提供了對恆星物理模型的重要測試,但是在這些極端條件下的狀態方程模型很大程度上是未經測試的。因此,在實驗室中重複白矮星的壓力對科學研究來說有著重要的價值。

實驗裝置由一個一毫米的小固體碳氫化合物球組成,它裝在一個鉛筆橡皮大小的空心金柱裡。雷射發射的110萬焦耳光照射小球,形成均勻的x射線浴,將小球加熱到350萬開爾文。通過燒蝕破壞了小球的外層,從而產生了每秒220公裡的球形燒蝕衝擊波,並以球形方式聚合,在通過球傳播的過程中增加了壓力。這一切的發生非常迅速,衝擊波只用了9納秒遍歷整個樣本。

物理學家使用x射線湯姆遜散射來測量樣品中的電子溫度和電離度。他們發現了高壓下不透明度的降低,這與碳內殼的顯著電離有關。這意味著電離最終使材料比沒有電子殼層的模型更具有可壓縮性。這反過來有助於更好地理解白矮星的性質和演變。

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