Tendencias Científicas
Representación artística de los experimentos de SLAC. Fuente: SLAC.
Las condiciones en el Universo pueden ser bastante extremas: choques violentos, reacciones nucleares, explosiones gigantescas. Pero, ¿cómo se desarrollan exactamente estos procesos? ¿Qué es lo que nos dicen sobre el universo? ¿Y se podría aprovechar su potencia para el beneficio de la humanidad?
Para averiguarlo, investigadores del Acelerador SLAC estadounidense, en California, realizan experimentos y simulaciones por ordenador sofisticadas que recrean violentas condiciones cósmicas a pequeña escala en el laboratorio.
"El campo de la astrofísica de laboratorio está creciendo muy rápidamente, alimentado por una serie de avances tecnológicos", dice Siegfried Glenzer, de la División de Ciencia de Alta Densidad de Energía de SLAC, en la nota de prensa de éste. "Ahora tenemos láseres de alta potencia para crear estados extremos de la materia, fuentes de rayos X de última generación para el análisis de estos estados a nivel atómico, y superordenadores de alto rendimiento para ejecutar simulaciones complejas que guían y ayudan a explicar nuestros experimentos. Con sus capacidades sobresalientes en estas áreas, SLAC es un lugar especialmente fértil para este tipo de investigación".
Tres estudios recientes ejemplifican este enfoque, arrojando luz sobre los impactos de meteoritos, los núcleos de los planetas gigantes y aceleradores de partículas cósmicas un millón de veces más potentes que el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, del CERN), la pista de carreras de partículas más grande de la Tierra.
Meteoritos
La alta presión puede convertir una forma suave de carbono -el grafito, utilizado como mina de lápices- en una forma extremadamente dura el diamante. ¿Puede suceder lo mismo cuando un meteoro impacta con el grafito del suelo? Los científicos han predicho que sí, y que estos impactos, de hecho, podrían ser lo suficientemente potentes como para producir una forma de diamante, llamado lonsdaleíta, que es incluso más dura que el diamante normal.
"La existencia de lonsdaleíta se ha discutido, pero ahora hemos encontrado evidencia convincente", dice Glenzer, co-investigador principal de un estudio publicado en Nature Communications.
El equipo calentó una superficie de grafito con un potente pulso de láser óptico que desencadenó una onda de choque dentro de la muestra y la comprimió rápidamente. Aplicando rayos X brillantes y ultrarrápidos a través de la muestra, los investigadores fueron capaces de ver cómo el choque cambiaba la estructura atómica del grafito.
Planetas gigantes
Un segundo estudio, publicado también en Nature Communications, observó otra transformación peculiar que podría ocurrir dentro de los planetas gaseosos gigantes como Júpiter, cuyo interior está compuesto en gran parte de hidrógeno líquido: A alta presión y temperatura, se cree que este material pasa de su estado "normal", de aislante eléctrico, a uno metálico, de conducción.
"La comprensión de este proceso proporciona nuevos detalles sobre la formación de planetas y de la evolución del sistema solar", dice Glenzer, que fue también co-investigador principal de este estudio. "A pesar de que la transición ya había sido predicho en la década de 1930, nunca hemos tenido una ventana directa a los procesos atómicos."
Es decir, no hasta que Glenzer y sus colegas científicos no realizaron un experimento en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), donde comprimieron y calentaron rápidamente una muestra de deuterio líquido, una forma pesada de hidrógeno, y crearon un estallido de rayos X que demostró que se habían producido cambios estructurales en la muestra.
El equipo vio que por encima de una presión de 250.000 atmósferas y una temperatura de 3.870 grados centígrados, el deuterio cambiaba de hecho de ser un fluido neutro y aislante a uno ionizado y metálico.
"Las simulaciones por ordenador sugieren que la transición coincide con la separación de dos átomos normalmente unidos en moléculas de deuterio", dice el autor principal Paul Davis, que era estudiante de posgrado en la Universidad de California en Berkeley y en LLNL en el momento del estudio. "Parece que a medida que la presión y la temperatura de la onda de choque inducida por láser divide las moléculas, sus electrones se sueltan y son capaces de conducir la electricidad."
El estudio también podría ayudar a la investigación sobre el uso de deuterio como combustible nuclear para las reacciones de fusión que replican procesos análogos a los del interior del Sol y otras estrellas.
Para averiguarlo, investigadores del Acelerador SLAC estadounidense, en California, realizan experimentos y simulaciones por ordenador sofisticadas que recrean violentas condiciones cósmicas a pequeña escala en el laboratorio.
"El campo de la astrofísica de laboratorio está creciendo muy rápidamente, alimentado por una serie de avances tecnológicos", dice Siegfried Glenzer, de la División de Ciencia de Alta Densidad de Energía de SLAC, en la nota de prensa de éste. "Ahora tenemos láseres de alta potencia para crear estados extremos de la materia, fuentes de rayos X de última generación para el análisis de estos estados a nivel atómico, y superordenadores de alto rendimiento para ejecutar simulaciones complejas que guían y ayudan a explicar nuestros experimentos. Con sus capacidades sobresalientes en estas áreas, SLAC es un lugar especialmente fértil para este tipo de investigación".
Tres estudios recientes ejemplifican este enfoque, arrojando luz sobre los impactos de meteoritos, los núcleos de los planetas gigantes y aceleradores de partículas cósmicas un millón de veces más potentes que el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, del CERN), la pista de carreras de partículas más grande de la Tierra.
Meteoritos
La alta presión puede convertir una forma suave de carbono -el grafito, utilizado como mina de lápices- en una forma extremadamente dura el diamante. ¿Puede suceder lo mismo cuando un meteoro impacta con el grafito del suelo? Los científicos han predicho que sí, y que estos impactos, de hecho, podrían ser lo suficientemente potentes como para producir una forma de diamante, llamado lonsdaleíta, que es incluso más dura que el diamante normal.
"La existencia de lonsdaleíta se ha discutido, pero ahora hemos encontrado evidencia convincente", dice Glenzer, co-investigador principal de un estudio publicado en Nature Communications.
El equipo calentó una superficie de grafito con un potente pulso de láser óptico que desencadenó una onda de choque dentro de la muestra y la comprimió rápidamente. Aplicando rayos X brillantes y ultrarrápidos a través de la muestra, los investigadores fueron capaces de ver cómo el choque cambiaba la estructura atómica del grafito.
Planetas gigantes
Un segundo estudio, publicado también en Nature Communications, observó otra transformación peculiar que podría ocurrir dentro de los planetas gaseosos gigantes como Júpiter, cuyo interior está compuesto en gran parte de hidrógeno líquido: A alta presión y temperatura, se cree que este material pasa de su estado "normal", de aislante eléctrico, a uno metálico, de conducción.
"La comprensión de este proceso proporciona nuevos detalles sobre la formación de planetas y de la evolución del sistema solar", dice Glenzer, que fue también co-investigador principal de este estudio. "A pesar de que la transición ya había sido predicho en la década de 1930, nunca hemos tenido una ventana directa a los procesos atómicos."
Es decir, no hasta que Glenzer y sus colegas científicos no realizaron un experimento en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), donde comprimieron y calentaron rápidamente una muestra de deuterio líquido, una forma pesada de hidrógeno, y crearon un estallido de rayos X que demostró que se habían producido cambios estructurales en la muestra.
El equipo vio que por encima de una presión de 250.000 atmósferas y una temperatura de 3.870 grados centígrados, el deuterio cambiaba de hecho de ser un fluido neutro y aislante a uno ionizado y metálico.
"Las simulaciones por ordenador sugieren que la transición coincide con la separación de dos átomos normalmente unidos en moléculas de deuterio", dice el autor principal Paul Davis, que era estudiante de posgrado en la Universidad de California en Berkeley y en LLNL en el momento del estudio. "Parece que a medida que la presión y la temperatura de la onda de choque inducida por láser divide las moléculas, sus electrones se sueltan y son capaces de conducir la electricidad."
El estudio también podría ayudar a la investigación sobre el uso de deuterio como combustible nuclear para las reacciones de fusión que replican procesos análogos a los del interior del Sol y otras estrellas.
Acelerador cósmico
En un tercer ejemplo del universo extremo, los aceleradores de partículas cósmicas tremendamente -cerca de los agujeros negros supermasivos, por ejemplo- impulsan corrientes de gas ionizado, llamado plasma, a cientos de miles de años luz, en el espacio. La energía almacenada en estas corrientes y en sus campos electromagnéticos se puede convertir en unas pocas partículas extremadamente energéticas, que producen muy breves pero intensos estallidos de rayos gamma que se pueden detectar en la Tierra.
Los científicos quieren saber cómo funcionan estos impulsores de energía, ya que ayudaría a entender mejor el universo. También les podría dar nuevas ideas para construir mejores aceleradores de partículas.
Los investigadores creen que una de las principales fuerzas impulsoras de los aceleradores cósmicos podría ser la "reconexión magnética", un proceso en el que las líneas del campo magnético de los plasmas se rompen y se vuelven a conectar de una manera diferente, liberando energía magnética.
"La reconexión magnética se había observado ya en el laboratorio, por ejemplo, en experimentos con dos plasmas en colisión que se crearon con láseres de alta potencia", dice Federico Fiúza, investigador de SLAC e investigador principal de un estudio teórico publicado en Physical Review Letters. "Sin embargo, ninguno de estos experimentos de láser han producido una aceleración de partículas no térmica: una aceleración no sólo relacionada con el calentamiento del plasma. Sin embargo, nuestro trabajo demuestra que con el diseño correcto, los experimentos actuales deben ser capaces de verlo".
Su equipo llevó a cabo una serie de simulaciones por ordenador que predicen cómo se comportarían las partículas de plasma en tales experimentos. Los cálculos más exigentes, con cerca de 100 mil millones de partículas, requirieron más de un millón de horas de CPU y más de un terabyte de memoria del superordenador Mira del Argonne National Laboratory (Illinois).
"Determinamos los parámetros clave para los detectores requeridos", dice el autor principal del estudio, Samuel Totorica, estudiante de doctorado en el grupo de Tom Abel de la Universidad Stanford y en SLAC. "Nuestros resultados son una receta para el diseño de experimentos futuros que quieran estudiar cómo ganan energía las partículas a través de la reconexión magnética".
En un tercer ejemplo del universo extremo, los aceleradores de partículas cósmicas tremendamente -cerca de los agujeros negros supermasivos, por ejemplo- impulsan corrientes de gas ionizado, llamado plasma, a cientos de miles de años luz, en el espacio. La energía almacenada en estas corrientes y en sus campos electromagnéticos se puede convertir en unas pocas partículas extremadamente energéticas, que producen muy breves pero intensos estallidos de rayos gamma que se pueden detectar en la Tierra.
Los científicos quieren saber cómo funcionan estos impulsores de energía, ya que ayudaría a entender mejor el universo. También les podría dar nuevas ideas para construir mejores aceleradores de partículas.
Los investigadores creen que una de las principales fuerzas impulsoras de los aceleradores cósmicos podría ser la "reconexión magnética", un proceso en el que las líneas del campo magnético de los plasmas se rompen y se vuelven a conectar de una manera diferente, liberando energía magnética.
"La reconexión magnética se había observado ya en el laboratorio, por ejemplo, en experimentos con dos plasmas en colisión que se crearon con láseres de alta potencia", dice Federico Fiúza, investigador de SLAC e investigador principal de un estudio teórico publicado en Physical Review Letters. "Sin embargo, ninguno de estos experimentos de láser han producido una aceleración de partículas no térmica: una aceleración no sólo relacionada con el calentamiento del plasma. Sin embargo, nuestro trabajo demuestra que con el diseño correcto, los experimentos actuales deben ser capaces de verlo".
Su equipo llevó a cabo una serie de simulaciones por ordenador que predicen cómo se comportarían las partículas de plasma en tales experimentos. Los cálculos más exigentes, con cerca de 100 mil millones de partículas, requirieron más de un millón de horas de CPU y más de un terabyte de memoria del superordenador Mira del Argonne National Laboratory (Illinois).
"Determinamos los parámetros clave para los detectores requeridos", dice el autor principal del estudio, Samuel Totorica, estudiante de doctorado en el grupo de Tom Abel de la Universidad Stanford y en SLAC. "Nuestros resultados son una receta para el diseño de experimentos futuros que quieran estudiar cómo ganan energía las partículas a través de la reconexión magnética".
Referencias bibliográficas:
D. Kraus, A. Ravasio, M. Gauthier, D. O. Gericke, J. Vorberger, S. Frydrych, J. Helfrich, L. B. Fletcher, G. Schaumann, B. Nagler, B. Barbrel, B. Bachmann, E. J. Gamboa, S. Göde, E. Granados, G. Gregori, H. J. Lee, P. Neumayer, W. Schumaker, T. Döppner, R. W. Falcone, S. H. Glenzer, M. Roth: Nanosecond formation of diamond and lonsdaleite by shock compression of graphite. Nature Communications (2016). DOI: 10.1038/ncomms10970.
P. Davis, T. Döppner, J. R. Rygg, C. Fortmann, L. Divol, A. Pak, L. Fletcher, A. Becker, B. Holst, P. Sperling, R. Redmer, M. P. Desjarlais, P. Celliers, G. W. Collins, O. L. Landen, R. W. Falcone, S. H. Glenzer: X-ray scattering measurements of dissociation-induced metallization of dynamically compressed deuterium. Nature Communications (2016). DOI: 10.1038/ncomms11189.
Samuel R. Totorica, Tom Abel y Frederico Fiuza: Nonthermal Electron Energization from Magnetic Reconnection in Laser-Driven Plasmas. Physical Review Letters (2016). DOI:http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.095003.
D. Kraus, A. Ravasio, M. Gauthier, D. O. Gericke, J. Vorberger, S. Frydrych, J. Helfrich, L. B. Fletcher, G. Schaumann, B. Nagler, B. Barbrel, B. Bachmann, E. J. Gamboa, S. Göde, E. Granados, G. Gregori, H. J. Lee, P. Neumayer, W. Schumaker, T. Döppner, R. W. Falcone, S. H. Glenzer, M. Roth: Nanosecond formation of diamond and lonsdaleite by shock compression of graphite. Nature Communications (2016). DOI: 10.1038/ncomms10970.
P. Davis, T. Döppner, J. R. Rygg, C. Fortmann, L. Divol, A. Pak, L. Fletcher, A. Becker, B. Holst, P. Sperling, R. Redmer, M. P. Desjarlais, P. Celliers, G. W. Collins, O. L. Landen, R. W. Falcone, S. H. Glenzer: X-ray scattering measurements of dissociation-induced metallization of dynamically compressed deuterium. Nature Communications (2016). DOI: 10.1038/ncomms11189.
Samuel R. Totorica, Tom Abel y Frederico Fiuza: Nonthermal Electron Energization from Magnetic Reconnection in Laser-Driven Plasmas. Physical Review Letters (2016). DOI:http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.095003.
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