Kondisi alam semesta kita yang luas bisa sangat berbeda. Jatuhnya benda langit yang kejam meninggalkan bekas luka di permukaan planet. Reaksi nuklir di jantung bintang menghasilkan energi yang sangat besar. Ledakan raksasa akan melontarkan materi jauh ke luar angkasa. Tapi bagaimana tepatnya proses seperti ini berlangsung? Apa yang mereka ceritakan tentang alam semesta? Bisakah kekuatan mereka digunakan untuk kepentingan umat manusia?
Untuk mengetahuinya, para ilmuwan di SLAC National Accelerator Laboratory telah melakukan eksperimen canggih dan simulasi komputer yang menciptakan kembali kondisi luar angkasa yang keras pada skala mikro laboratorium.
"Bidang astrofisika laboratorium berkembang dengan sangat cepat dan didorong oleh sejumlah terobosan teknologi," kata Siegfried Glenzer, kepala divisi sains kepadatan energi tinggi di SLAC. “Kami sekarang memiliki laser yang kuat untuk menciptakan keadaan materi yang ekstrem, sumber sinar-X canggih untuk menganalisis keadaan ini pada tingkat atom, dan superkomputer berkinerja tinggi untuk simulasi kompleks yang memandu dan membantu menjelaskan eksperimen kami. Dengan peluang besar di bidang ini, SLAC menjadi lahan yang sangat subur untuk penelitian semacam ini."
Tiga studi terbaru yang menyoroti pendekatan ini melibatkan serangan meteor, inti planet raksasa, dan akselerator partikel kosmik yang jutaan kali lebih kuat daripada Large Hadron Collider, akselerator partikel terbesar di Bumi.
"Pernak-pernik" kosmik menunjukkan meteor
Diketahui bahwa tekanan tinggi dapat mengubah bentuk lunak karbon - grafit, yang digunakan sebagai timbal - menjadi bentuk karbon yang sangat berat, intan. Mungkinkah ini terjadi jika meteor menghantam grafit di tanah? Ilmuwan percaya mereka bisa, dan bahwa air terjun ini, pada kenyataannya, bisa cukup kuat untuk menghasilkan apa yang mereka sebut lonsdaleite, bentuk khusus dari berlian yang bahkan lebih kuat dari berlian biasa.
"Keberadaan lonsdaleite telah diperdebatkan, tetapi sekarang kami telah menemukan bukti kuat untuk ini," kata Glenzer, peneliti utama makalah tersebut, yang diterbitkan pada bulan Maret di Nature Communications.
Video promosi:
Para ilmuwan memanaskan permukaan grafit dengan pulsa laser optik yang kuat, yang mengirimkan gelombang kejut ke dalam sampel dan dengan cepat memampatkannya. Dengan menyinari sinar-X LCLS ultra cepat yang terang melalui sumbernya, para ilmuwan dapat melihat bagaimana guncangan tersebut mengubah struktur atom grafit.
“Kami melihat bentuk lonsdaleit dalam beberapa sampel grafit dalam beberapa miliar detik dan pada 200 gigapascal (2 juta kali tekanan atmosfer di permukaan laut),” kata penulis utama Dominik Krautz dari German Helmholtz Center, yang bekerja di California. Universitas di Berkeley pada saat penelitian. "Hasil ini sangat mendukung gagasan bahwa dampak kekerasan dapat mensintesis bentuk berlian ini, dan ini, pada gilirannya, dapat membantu kami mengidentifikasi lokasi tabrakan meteor."
Planet raksasa mengubah hidrogen menjadi logam
Studi kedua, yang diterbitkan baru-baru ini di Nature Communications, melihat transformasi penting lainnya yang mungkin terjadi di dalam planet gas raksasa seperti Jupiter, yang bagian dalamnya sebagian besar adalah hidrogen cair: pada suhu dan tekanan tinggi, material ini bergeser dari "normal", keadaan isolasi elektrik menjadi logam, konduktif.
“Memahami proses ini memberikan detail baru tentang pembentukan planet dan evolusi tata surya,” kata Glenzer, yang juga salah satu peneliti utama pekerjaan tersebut. "Meskipun transisi seperti itu sudah diprediksi pada tahun 1930-an, kami tidak pernah membuka jendela langsung ke proses atom."
Artinya, itu tidak dibuka sampai Glenzer dan rekan ilmuwannya melakukan percobaan di Livermore National Laboratory (LLNL), di mana mereka menggunakan laser Janus berkekuatan tinggi untuk dengan cepat memeras dan memanaskan sampel deuterium cair, suatu bentuk hidrogen yang berat, dan membuat ledakan sinar-X., yang mengungkapkan perubahan struktural yang konsisten dalam sampel.
Para ilmuwan telah melihat bahwa di atas tekanan 250.000 atmosfer dan suhu 7.000 derajat Fahrenheit, deuterium memang berubah dari cairan isolasi netral menjadi cairan logam terionisasi.
"Simulasi komputer menunjukkan bahwa transisi bertepatan dengan pemisahan dua atom, biasanya terikat bersama dalam molekul deuterium," kata penulis utama Paul Davis, seorang mahasiswa pascasarjana di University of California, Berkeley pada saat penulisan. "Rupanya, tekanan dan suhu gelombang kejut yang diinduksi laser merobek molekul, elektronnya menjadi tidak terikat dan dapat menghantarkan listrik."
Selain ilmu planet, penelitian ini juga dapat membantu penelitian yang bertujuan menggunakan deuterium sebagai bahan bakar nuklir untuk reaksi termonuklir.
Bagaimana membangun akselerator luar angkasa
Contoh ketiga dari alam semesta ekstrim, alam semesta "di tepi", adalah akselerator partikel kosmik yang sangat kuat - di dekat lubang hitam supermasif, misalnya - memuntahkan aliran gas terionisasi, plasma, ratusan ribu tahun cahaya ke luar angkasa. Energi yang terkandung dalam arus ini dan medan elektromagnetiknya dapat diubah menjadi partikel yang sangat energik yang menghasilkan semburan sinar gamma yang sangat singkat namun intens yang dapat dideteksi di Bumi.
Para ilmuwan ingin mengetahui cara kerja akselerator energi ini, karena akan membantu memahami alam semesta. Selain itu, ide segar untuk membangun akselerator yang lebih bertenaga dapat diambil dari sini. Bagaimanapun, percepatan partikel adalah inti dari banyak eksperimen fisika dasar dan perangkat medis.
Para ilmuwan percaya bahwa salah satu kekuatan pendorong utama di balik akselerator ruang angkasa adalah "koneksi ulang magnetik" - sebuah proses di mana garis-garis medan magnet dalam plasma putus dan menyambung kembali dengan cara yang berbeda, melepaskan energi magnet.
"Sambungan ulang magnetik sebelumnya telah diamati di laboratorium, misalnya, dalam eksperimen dengan tabrakan dua plasma yang dibuat menggunakan laser berkekuatan tinggi," kata Frederico Fiuza, ilmuwan di Divisi Sains Densitas Energi Tinggi dan peneliti utama dari makalah teoretis yang diterbitkan di Physical Review Letters pada bulan Maret. … “Namun demikian, tak satu pun dari eksperimen laser ini yang mengamati percepatan partikel nonthermal - percepatan tidak terkait dengan pemanasan plasma. Pekerjaan kami menunjukkan bahwa dengan desain tertentu, eksperimen kami harus melihatnya."
Timnya menjalankan serangkaian simulasi komputer yang memprediksi bagaimana partikel plasma harus berperilaku dalam eksperimen semacam itu. Perhitungan paling serius, berdasarkan 100 miliar partikel, membutuhkan lebih dari satu juta jam CPU dan lebih dari satu terabyte memori pada superkomputer Mira di Argonne National Laboratory.
“Kami telah mengidentifikasi parameter kunci untuk detektor yang diperlukan, termasuk rentang energi di mana mereka akan beroperasi, resolusi energi yang dibutuhkan dan lokasi dalam percobaan,” kata penulis utama Samuel Totorica, seorang mahasiswa pascasarjana di Universitas Stanford. "Hasil kami mewakili resep untuk merancang eksperimen masa depan yang ingin mengetahui bagaimana partikel mendapatkan energi dari rekoneksi magnetik."
