研究恒星物理学和核聚变的基础

使用世界上能量最高的激光进行的研究揭示了高度压缩物质的特性——这对于理解巨行星和恒星的结构以及开发可控核聚变(一种可以收集无碳能量的过程)至关重要。

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。在称为电离的过程中，产生的极端压力足以使原子充电并产生自由电子。此类物质的材料特性主要由原子的电离程度决定。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恒星物体中占主导地位。然而，这个过程还没有被很好地理解，并且在实验室中很难创造所需的极端物质状态，限制了对天体建模所需的预测能力。

极端条件也发生在激光驱动的聚变实验中，在这种实验中，氢原子在高压和高温下聚变成氦，一种更重的元素。这个过程被誉为一种无限的、无碳的能源——通过使用聚变反应产生的大量过剩能量来发电。这一重大科学挑战的进展在很大程度上依赖于数值建模，而高压系统中的电离平衡至关重要。

在实验室中研究这个复杂过程的唯一方法是将物质动态压缩到极端密度，这需要在很短的时间内输入非常大的能量。在今天发表在《自然》杂志上的一项新实验中，科学家们使用世界上最大、能量最高的激光器——国家点火装置 (NIF) 做到了这一点。通过他们在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的研究，该团队提供了关于巨行星和恒星中压力驱动电离的复杂过程的新见解。他们研究了物质在极端压缩下的特性和行为，为天体物理学和核聚变研究提供了重要启示。

国际研究团队使用 NIF 生成压力驱动电离所需的极端条件。他们将 184 束激光束聚焦在一个腔体上，将激光能量转化为 X 射线，加热放置在中心的 2 毫米金属壳。由于壳的外部由于加热而迅速膨胀，内部被向内驱动——达到约 200 万开尔文(190 万摄氏度)的温度和高达 30 亿个大气压的压力——形成了矮星中发现的一小块物质仅几纳秒。

然后使用 X 射线分析高度压缩的金属壳(由铍制成)以揭示其密度、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状态，也就是说，它们可以独立于原子核移动。此外，该研究还发现了出乎意料的弱弹性 X 射线散射，表明剩余电子的局域化程度降低，这是所有电子变得自由之前不久的一个新阶段，从而揭示了通往完全电离状态的途径。

领导该项目的 LLNL 物理学家 Tilo Döppner 说：“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。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。”

华威大学物理系副教授 Dirk Gericke 补充说：“在实验室中创建和诊断这些极端压力为我们的理论模型提供了宝贵的基准。不仅天体物理学迫切需要改进的预测能力，而且为了进一步推进可控核聚变的发展，这将使人类能够从恒星中获取能源。”