一个研究小组，包括来自罗斯托克大学和德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心(HZDR) 的科学家，在劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 进行了实验室实验，为巨人中压力驱动电离的复杂过程提供了新的见解行星和恒星。他们的研究于 5 月 24 日发表在《自然》杂志上，揭示了物质在极端压缩下的材料特性和行为，对天体物理学和核聚变研究具有重要意义。
国际研究团队利用世界上最大、能量最高的激光器——国家点火装置 (NIF)来产生压力驱动电离所需的极端条件。该团队使用 184 束激光束加热空腔内部，将激光能量转换为 X 射线，加热放置在中心的 2 毫米直径铍壳。由于壳的外部因加热而迅速膨胀，内部加速向内达到约 200 万开尔文的温度和高达 30 亿大气压的压力，在实验室中产生几纳秒的矮星中发现的一小块物质。
使用 X 射线汤姆逊散射探测高度压缩的铍样品，高达其环境固体密度的 30 倍，以推断其密度、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态。此外，该研究还发现了出乎意料的微弱弹性散射，表明剩余电子的局域化程度降低了。
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。在由高压缩产生的如此高的压力下，原子核的接近导致相邻离子的电子束缚态之间的相互作用并最终导致它们完全电离。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物体中占主导地位。
“恒星内部原子的电离程度对于能量通过辐射从中心传输到外部的效率至关重要。如果这个限制太严格，它就会在天体中变成湍流，类似于平底锅，”Dominik Kraus 解释说，他在项目开始时仍在加利福尼亚州工作，现在是罗斯托克大学的物理学教授和HZDR组长。“如果它过于湍流，我们所知道的生命可能无法在围绕小恒星的近轨道运行。”
尽管它对天体的结构和演化很重要，但压力电离作为高度电离物质的途径在理论上并没有得到很好的理解。此外，该项目的负责人、罗斯托克大学 Tilo Döppner 的校友LLNL物理学家说，所需的极端物质状态很难在实验室中创造和研究。“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。”
该研究还对 NIF 的惯性约束聚变实验具有重要意义，其中 X 射线吸收和可压缩性是优化高性能聚变实验的关键参数。Döppner 补充说，全面了解压力和温度驱动的电离对于模拟压缩材料以及最终通过激光驱动的核聚变开发丰富的无碳能源至关重要。
“罗斯托克大学和 Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf 的博士生的辛勤工作也使开创性的成果成为可能，其中一些博士生已经在加利福尼亚州的 NIF 完成了研究，”物理学教授罗纳德·雷德默 (Ronald Redmer) 报告说在罗斯托克大学和密集天体物理等离子体的理论描述方面的专家。“对复杂实验装置的结果评估和所研究等离子体状态的建模非常复杂，需要大量的计算能力。达到目前对实验数据的理解已经花费了数年时间。”
研究人员还希望在德国的一个设施中进一步了解处于数十亿个大气压力下的物质。在舍内费尔德欧洲 XFEL 的亥姆霍兹国际极端场束线 (HIBEF) 的帮助下，罗斯托克大学和德累斯顿亥姆霍兹中心的科学家们希望在更小的规模上实现类似的条件。与 NIF 目前可能进行的实验相比，这将能够进行更多的实验。
