科学家们在劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)进行了实验室实验，为巨行星和恒星中压力驱动电离的复杂过程提供了新的见解。他们的研究今天发表在《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。

实验揭示了巨行星和恒星中压力驱动的电离

能源部SLAC国家加速器实验室高能量密度部主任、合作者SiegfriedGlenzer说：“如果你可以重现恒星物体中发生的情况，那么你实际上可以找出它内部发生的事情。”“这就像将温度计放入恒星并测量它的温度以及这些条件对材料内部原子的影响。它可以教会我们操纵物质以获得聚变能源的新方法。”

国际研究团队使用世界上最大、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。通过使用184束激光，该团队加热了腔体内部，将激光能量转化为X射线，加热了放置在中心的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30亿个大气压的压力，从而产生一小块物质，如在矮星中发现的那样，持续几纳秒实验室。

高度压缩的铍样品，高达其环境固体密度的30倍，用X射线探测以确定其密度、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，表明剩余电子的定位减少或释放。

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。

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，领导该项目的LLNL物理学家TiloDöppner说，在实验室中很难创造和研究所需的极端物质状态。

“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，”Döppner说。“我们的工作为研究和模拟极端压缩下物质的行为开辟了新途径。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、热力学性质和通过不透明度进行的辐射传输。”

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。

“国家点火装置的独特能力是无与伦比的。地球上只有一个地方可以让我们在实验室中对行星核心和恒星内部进行极端压缩，并研究和观察它们，那就是世界上最大、最高能激光，”NIF发现科学项目负责人BruceRemington说。“在NIF先前研究的基础上，这项工作正在扩展实验室天体物理学的前沿。”