Las condiciones en nuestro vasto universo pueden ser muy diferentes. Las violentas caídas de cuerpos celestes dejan cicatrices en la superficie de los planetas. Las reacciones nucleares en los corazones de las estrellas generan enormes cantidades de energía. Las explosiones gigantes catapultarán la materia al espacio. Pero, ¿cómo proceden exactamente procesos como estos? ¿Qué nos dicen del universo? ¿Se puede usar su poder en beneficio de la humanidad?
Para averiguarlo, los científicos del Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC han realizado experimentos sofisticados y simulaciones por computadora que recrean las duras condiciones espaciales a microescala del laboratorio.
“El campo de la astrofísica de laboratorio está creciendo a un ritmo rápido y está impulsado por una serie de avances tecnológicos”, dice Siegfried Glenzer, jefe de la división de ciencia de alta densidad de energía en SLAC. “Ahora tenemos potentes láseres para crear estados extremos de la materia, fuentes avanzadas de rayos X para analizar estos estados a nivel atómico y supercomputadoras de alto rendimiento para simulaciones complejas que guían y ayudan a explicar nuestros experimentos. Con grandes oportunidades en estas áreas, SLAC se está convirtiendo en un terreno particularmente fértil para este tipo de investigación”.
Tres estudios recientes que destacan este enfoque involucran impactos de meteoritos, núcleos de planetas gigantes y aceleradores de partículas cósmicas millones de veces más poderosos que el Gran Colisionador de Hadrones, el acelerador de partículas más grande de la Tierra.
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Las "baratijas" cósmicas indican meteoros
Se sabe que la alta presión puede transformar la forma blanda del carbono, el grafito, que se utiliza como plomo, en una forma de carbono extremadamente pesada, el diamante. ¿Podría suceder esto si un meteoro golpea el suelo con grafito? Los científicos creen que pueden, y que estas caídas, de hecho, podrían ser lo suficientemente poderosas como para producir lo que ellos llaman lonsdaleita, una forma especial de diamante que es incluso más fuerte que un diamante normal.
"La existencia de lonsdaleita ha sido cuestionada, pero ahora hemos encontrado evidencia convincente de esto", dice Glenzer, investigador principal del artículo, publicado en marzo en Nature Communications.
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Los científicos calentaron la superficie del grafito con un poderoso pulso de láser óptico, que envió una onda de choque a la muestra y la comprimió rápidamente. Al hacer brillar rayos X LCLS ultrarrápidos y brillantes a través de la fuente, los científicos pudieron ver cómo el choque alteró la estructura atómica del grafito.
“Vimos forma de lonsdaleita en algunas muestras de grafito en unas mil millonésimas de segundo y a una presión de 200 gigapascales (2 millones de veces la presión atmosférica al nivel del mar)”, dice el autor principal Dominik Krautz del Centro Alemán Helmholtz, con sede en California. Universidad de Berkeley en el momento de la investigación. "Estos resultados apoyan firmemente la idea de que los impactos violentos pueden sintetizar esta forma de diamante y esto, a su vez, puede ayudarnos a identificar los sitios de impacto de meteoritos".
Los planetas gigantes convierten el hidrógeno en metal
El segundo estudio, publicado recientemente en Nature Communications, analiza otra transformación importante que podría haber tenido lugar dentro de planetas gaseosos gigantes como Júpiter, cuyo interior es principalmente hidrógeno líquido: a alta temperatura y presión, este material cambia de "normal", estado eléctricamente aislante en metálico, conductor.
“Comprender este proceso proporciona nuevos detalles sobre la formación planetaria y la evolución del sistema solar”, dice Glenzer, quien también fue uno de los principales investigadores del trabajo. "Aunque tal transición ya se predijo en la década de 1930, nunca abrimos una ventana directa a los procesos atómicos".
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Es decir, no se abrió hasta que Glenzer y sus colegas científicos realizaron un experimento en el Laboratorio Nacional de Livermore (LLNL), donde utilizaron un láser Janus de alta potencia para exprimir y calentar rápidamente una muestra de deuterio líquido, una forma pesada de hidrógeno, y crear una explosión de rayos X., que reveló cambios estructurales consistentes en la muestra.
Los científicos han visto que por encima de una presión de 250.000 atmósferas y una temperatura de 7.000 grados Fahrenheit, el deuterio cambia de un líquido aislante neutro a un líquido metálico ionizado.
"Las simulaciones por computadora muestran que la transición coincide con la separación de dos átomos, generalmente unidos en moléculas de deuterio", dice el autor principal Paul Davis, estudiante graduado de la Universidad de California en Berkeley en el momento de escribir este artículo. "Aparentemente, la presión y la temperatura de la onda de choque inducida por láser desgarra las moléculas, sus electrones se liberan y pueden conducir electricidad".
Además de la ciencia planetaria, esta investigación también podría ayudar a la investigación dirigida al uso de deuterio como combustible nuclear para reacciones termonucleares.
Cómo construir un acelerador espacial
El tercer ejemplo de un universo extremo, un universo "al borde", son los aceleradores de partículas espaciales increíblemente poderosos, cerca de agujeros negros supermasivos, por ejemplo, que arrojan corrientes de gas ionizado, plasma, cientos de miles de años luz al espacio. La energía contenida en estas corrientes y sus campos electromagnéticos se pueden convertir en partículas increíblemente energéticas, que producen ráfagas muy cortas pero intensas de rayos gamma que pueden detectarse en la Tierra.
A los científicos les gustaría saber cómo funcionan estos aceleradores de energía, ya que ayudarán a comprender el universo. Además, se podrían extraer nuevas ideas para construir aceleradores más potentes. Después de todo, la aceleración de partículas está en el corazón de muchos experimentos de física fundamental y dispositivos médicos.
Los científicos creen que una de las principales fuerzas impulsoras detrás de los aceleradores espaciales podría ser la "reconexión magnética", un proceso en el que las líneas de campo magnético en un plasma se rompen y se vuelven a conectar de una manera diferente, liberando energía magnética.
"La reconexión magnética se ha observado anteriormente en el laboratorio, por ejemplo, en experimentos con la colisión de dos plasmas que se crearon utilizando láseres de alta potencia", dice Frederico Fiuza, científico de la División de Ciencias de Alta Densidad de Energía e investigador principal del artículo teórico publicado en Physical Review Letters en marzo. … “Sin embargo, ninguno de estos experimentos con láser ha observado una aceleración no térmica de partículas, una aceleración no asociada con el calentamiento del plasma. Nuestro trabajo muestra que con un cierto diseño, nuestros experimentos deberían verlo ".
Su equipo realizó una serie de simulaciones por computadora que predijeron cómo deberían comportarse las partículas de plasma en tales experimentos. Los cálculos más serios, basados en 100 mil millones de partículas, requirieron más de un millón de horas de CPU y más de un terabyte de memoria en la supercomputadora Mira del Laboratorio Nacional de Argonne.
"Hemos identificado parámetros clave para los detectores requeridos, incluido el rango de energía en el que operarán, la resolución de energía requerida y la ubicación en el experimento", dijo el autor principal Samuel Totorika, estudiante de posgrado de la Universidad de Stanford. "Nuestros resultados representan una receta para diseñar experimentos futuros que querrán saber cómo las partículas obtienen energía de la reconexión magnética".
