В лаборатории впервые достигнуто давление мертвой звезды
Используя самую высокоэнергетическую лазерную систему в мире, физики ненадолго подвергли образцы твердых углеводородов давлению до 450 мегабар, что в 450 миллионов раз превышает атмосферное давление Земли на уровне моря. Такие показатели эквивалентны давлению в углеродных оболочках редкого типа белых карликов — одних из самых плотных объектов в известной Вселенной.
Как умирают звезды
Большинство звезд во Вселенной закончат свою жизнь белыми карликами, в том числе и наше Солнце. По мере того, как их жизненный цикл подходит к концу, они разрастаются в красных гигантов. В конечном итоге гиганты сбросят большую часть составляющего их вещества в космос, когда ядро коллапсирует в белый карлик — «мертвую» звезду, больше не способную поддерживать реакции синтеза.
Белые карлики фантастически плотные. Их масса может примерно в 1,5 раза превышать массу Солнца, хотя сам карлик при этом будет сферой размером всего лишь с Землю! Только то, что называется давлением электронного вырождения, удерживает звезду от коллапса под действием собственной гравитации.
При давлении около 100 мегабар электроны отделяются от своих атомных ядер — и, поскольку идентичные электроны не могут занимать одно и то же пространство, то «беглецы» обеспечивают внешнее давление, которое не дает звезде коллапсировать. Это давление не только влияет на сжимаемость материала, оно также снижает непрозрачность плазмы, ионизируемой за счет потери электронов. Связи между этими свойствами описываются уравнениями состояния материала, которые также можно использовать для расчета таких свойств, как температурный профиль и скорость охлаждения звезды.
Но в моделях уравнения состояния (EOS) для экстремальных давлений существуют некоторые разногласия. Например, для белых карликов модели EOS вдоль так называемой ударной волны Гюгонио — кривой, отображающей увеличение давления и плотности при сжатии — могут отличаться на 10 процентов.
Это может быть проблемой при попытке понять фундаментальные свойства Вселенной, потому что белые карлики в теории должны быть вполне предсказуемыми. Хоть они светятся, свет этот исходит только от остаточного тепла, а не от термоядерного синтеза, поэтому скорость их охлаждения можно использовать как своего рода часы для подтверждения возраста Вселенной или возрастов звезд вокруг карликов.
Команда исследователей попыталась найти корень противоречий, используя лазерную систему Национального центра зажигания (NIF) Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса.
Рождение звезды
Экспериментальная установка состояла из маленькой твердой миллиметровой углеводородной (пластиковой) бусины внутри полого золотого цилиндра размером с ластик для карандашей, называемого хольраумом. Затем его облучали 1,1 миллионами джоулей ультрафиолетового света, испускаемого лазерами, что создало однородную рентгеновскую «ванну», нагревающую пластиковую сферу почти до 3,5 миллионов градусов Цельсия!
Внешний слой шарика был разрушен в результате абляции, в результате чего образовалась сферическая ударная волна, распространяющаяся со скоростью до 220 километров в секунду, что привело к увеличению давления при распространении через шарик.
Все это произошло необычайно быстро — ударная волна прошла весь образец насквозь всего за 9 наносекунд. С помощью рентгеновской радиографии исследовательская группа смогла зафиксировать удар Гюгонио, измерив давление: от 100 мегабар на внешней стороне бусинки до 450 мегабар к тому времени, когда волна достигла центра шарика.
Давление внутри ядра Земли составляет 3,6 мегабара. Ранее максимальное давление, достигнутое в таком контролируемом эксперименте, составляло «всего» 60 мегабар.
По словам исследователей, давление, созданное в их эксперименте, согласуется с давлением углеродной оболочки (областью конвекции, окружающей ядро), наблюдаемой в так называемых «горячих» белых карликах. Это относительно редкое явление: в отличие от обычных белых карликов, чьи атмосферы состоят в основном из водорода и гелия, у горячие атмосфера в основном углеродная, необычайно горячая и яркая.
Некоторые из «горячих» карликов пульсируют при вращении, что приводит к изменению яркости. Чтобы понять эти пульсации и смоделировать их, нам нужно более точное понимание того, как вещество звезды ведет себя под колоссальным давлением.
