科学家在实验室中产生的最大压力能有多大?相当于白矮星内部的压力

在地球实验室中,科学家创造了最高的压力(相当于白矮星内部的压力)

地球核心的压力大约相当于360万个大气压,但是现在科学家在实验室中产生了比地核压力还要大100倍的超高压,创造了一项新的世界纪录。

物理学家使用世界上能量最高的激光系统,短暂地使固体碳氢化合物样品承受高达450兆帕的压力,这个压力相当于地球大气压的4.5亿倍,是地核压力的125倍,也相当于是白矮星,这项研究能够帮助科学家更好的了解白矮星的一些特性。

科学家在实验室中产生的最大压力能有多大?相当于白矮星内部的压力

宇宙中绝大多数的恒星包括我们太阳最终都可能会变成白矮星,当它们在未来耗尽氢燃料的时候,就会膨胀成一颗红巨星,然后将大部分物质抛射到太空中,核心则会坍缩成一颗白矮星。白矮星的质量一般有0.4~1.4个太阳质量,但是它的体型却和地球差不多。

所以白矮星上的压力是非常大的,物质的密度也非常高,一立方厘米的白矮星物质就有一吨重。这么高的物质密度是通过压缩物质原子之间的空间达成的,在这种情况下,是一种叫做电子简并压力的力在组织白矮星进一步坍缩。

在大约100兆帕的压力下,电子就会从它们的原子核中被剥离出来,根据泡利不相容原理不允许两个相同的电子同时占据相同的量子态,因此产生了一种抵抗压缩的压力,当超越这个压力的时候,白矮星就会进一步坍缩成中子星甚至黑洞。

这种压力不仅会影响材料的可压缩性,还会降低因电子损失而电离的等离子体的不透明度。这些属性之间的联系由材料的状态方程描述,也可用于计算温度分布和冷却速率等属性。

然而,对于极端压力的状态方程(EOS)模型存在一些问题:在白矮星中,当状态方程模型沿着所谓的Hugoniot激波来绘制极端压力下压力和密度增加的曲线关系的时候,能够看到大约10%的变化。

在我们试图了解宇宙的一些基本特性的时候,这种小小的变化可能会产生一些问题。比如按理说白矮星是可以进行预测的,虽然它们会发光,但光只是来自余热,而不是核聚变,因此它们的冷却速度是一个固定的数值,这个数值甚至可以作为一种时钟来确认宇宙中天体的年龄。但是如果发生EOS中那10%的变化,这个时钟就会出现不准确的问题。

所以关于这个问题,是科学家一直试图解决的问题,而通过现在的这种人造的超高压力,科学家就可以在实验室中模拟出白矮星上的高压环境,从而进一步完善现在的白矮星数据模型。

实验装置是一个直径1毫米的碳氢化合物(塑料)珠子组成的实心小球,它位于一个空心的黄金圆柱体内,大小与铅笔橡皮擦差不多,称为“空腔”。然后用激光器发出的110万焦耳紫外线照射它,产生均匀的X射线,将塑料球加热到近350万开尔文的高温。

珠子的外层通过烧蚀被破坏,这会产生一个以每秒220公里的速度传播的球形烧蚀冲击波,该冲击波会聚成球形,从而在它通过珠子传播时增加压力。

顺便说一下,这一切发生得非常快——冲击波只用了9纳秒(一秒的十亿分之一)就可以穿过整个样品。虽然这个过程非常非常短,但是,使用X射线照相术,科学家依然能够记录下冲击波产生的压力,数据显示小球的表面压力达到了100兆帕,核心的压力达到450兆帕。

作为对比,地球核心内部的压力为3.6兆帕。而在之前,科学家在实验室中产生的最高压力为60兆帕。

这个极高的压力和白矮星核心周围的对流区域的压力差不多大小。这些数据都会帮助科学家能够更好的对白矮星物质有进一步的了解。

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