हिरे वितळण्याच्या प्रयोगाने युरेनस आणि नेपच्यूनवर नवा प्रकाश टाकला

अत्यंत पदार्थाचा प्रयोगशाळेतील अभ्यास बर्फग्रहांकडे पाहण्याची नवी खिडकी उघडतो

भौतिकशास्त्रज्ञांनी हिऱ्याला इतक्या तीव्र परिस्थितींमध्ये ढकलले की तो क्षणभर सूर्याच्या पृष्ठभागाइतक्या तापमानांपर्यंत आणि पृथ्वीच्या केंद्रातील दाबाच्या तीनपटांहून अधिक दाबापर्यंत पोहोचला. या प्रक्रियेत, त्यांच्या म्हणण्यानुसार, त्यांनी जवळपास दोन दशकांपासून सुरू असलेला एक वैज्ञानिक वाद मिटवला आणि युरेनस व नेपच्यूनच्या खोल आत काय घडत असेल याबद्दलच्या चित्रातील एक महत्त्वाचा भाग अधिक स्पष्ट केला.

Nature Physics मध्ये प्रकाशित झालेल्या आणि Lawrence Livermore National Laboratory-नेतृत्वाखालील प्रयोगांवर आधारित अहवालात वर्णन केलेले हे काम ग्रहविज्ञानातील एका दीर्घकालीन कल्पनेवर केंद्रित आहे: तथाकथित बर्फग्रहांच्या आत कार्बन-समृद्ध पदार्थ दाबून हिरा बनू शकतो, ज्यातून अनेकदा “diamond rain” असे वर्णन केले जाणारे विलक्षण घटित निर्माण होते. ही संकल्पना अनेक वर्षांपासून चर्चेत आहे, परंतु त्यामागील एक मूलभूत पदार्थविज्ञान प्रश्न अनुत्तरितच राहिला होता. अत्यंत परिस्थितींमध्ये हिऱ्याच्या वितळण्याच्या वर्तनाचे मोजमाप क्वांटम-यांत्रिकी मॉडेल्सशी नीट जुळत नव्हते.

नव्या प्रयोगाचे महत्त्व असे की, नियंत्रित परिस्थितींमध्ये थेट निरीक्षणांचा वापर करून तो फरक कमी करतो. ग्रहविज्ञानासाठी, यामुळे दूरच्या जगांच्या खोल अंतर्भागांचे मॉडेल तयार करताना वापरल्या जाणाऱ्या भौतिक गृहितकांना अधिक बळ मिळते. उच्च-ऊर्जा-घनता भौतिकशास्त्रातील संशोधकांसाठीही, संलयन प्रयोगांशी संबंधित त्याच व्यापक अत्यंत परिस्थितींमध्ये पदार्थ कसा वागतो हे समजून घेण्यास मदत होते.

संशोधकांनी प्रत्यक्षात काय केले

या पथकाने University of Rochester च्या Omega Laser Facility मध्ये हे काम केले. दिलेल्या स्रोत मजकुरानुसार, संशोधकांनी लेझरचा वापर करून हिऱ्याच्या नमुन्याच्या बाहेरील थराचे वाष्पीकरण केले. त्यामुळे एक शॉक वेव्ह तयार झाली, जी उरलेल्या पदार्थातून प्रवास करत सुमारे अब्जाव्या भागाच्या एक सेकंदासाठी त्याला प्रचंड दाबाखाली संकुचित करत गेली.

त्या क्षणिक अवधीत, अल्ट्राफास्ट एक्स-रे डिफ्रॅक्शनसह अनेक निदान साधनांच्या मदतीने वैज्ञानिकांनी काय घडते आहे ते नोंदवले. हा तपशील महत्त्वाचा आहे, कारण हिऱ्याच्या वितळण्याविषयीच्या आधीच्या प्रयत्नांमध्ये सिद्धांतापेक्षा 20% पर्यंत भिन्न मोजमाप मिळाली होती, आणि या संदर्भात ते 1,000 kelvins पेक्षा अधिक फरकात रूपांतरित होत होते. इतका मोठा फरक असल्यास ग्रहांच्या अंतर्भागांचे अनुकरण करण्यासाठी वापरले जाणारे मॉडेल्स खरोखरच भविष्यसूचक आहेत की फक्त अंदाजे, हे जाणून घेणे कठीण होते.

नव्या एक्स-रे डिफ्रॅक्शन डेटामुळे, लेखकांनी निष्कर्ष काढला की हिऱ्याचा त्यांचा मोजलेला वितळबिंदू आधुनिक क्वांटम-भौतिकी-आधारित गणनांशी सुसंगत आहे. हे जुळणं केवळ तांत्रिक वाद संपवत नाही. ते सूचित करते की अत्यंत दाब आणि तापमानाखाली कार्बनचे वर्णन करण्यासाठी वापरले जाणारे सैद्धांतिक चौकट यापूर्वीपेक्षा अधिक भक्कम आधारावर आहे.

प्रचंड ग्रहांसाठी हिरा का महत्त्वाचा आहे

युरेनस आणि नेपच्यून पृथ्वीपेक्षा वेगळे आहेत, तसेच ज्युपिटर आणि शनीसारख्या मोठ्या वायुग्रहांपेक्षाही वेगळे आहेत. त्यांच्या अंतर्भागात अत्यंत दाबाखाली अस्थिर पदार्थांचे मिश्रण असल्याचे मानले जाते, आणि अशा वातावरणात कार्बनयुक्त संयुगे नाट्यमयरीत्या बदलू शकतात असा शास्त्रज्ञांचा दीर्घकाळचा संशय आहे. ग्रहाच्या आतून हिर्‍यांचा वर्षाव होतो अशी लोकप्रिय प्रतिमा एक साधारीकरण आहे, पण प्रचंड ग्रहांच्या परिस्थितीत पदार्थ कसा वेगळा होतो, वितळतो, आणि हालचाल करतो याविषयीचा खरा वैज्ञानिक प्रश्न ती पकडते.

म्हणूनच हिऱ्याचे phase वर्तन केवळ एक अमूर्त पदार्थविज्ञान समस्या नाही. संशोधकांना हिरा कधी घन राहतो, कधी वितळतो, आणि आसपासच्या पदार्थाशी कसा परस्परसंवाद करतो हे अधिक चांगल्या प्रकारे ठरवता आले, तर बर्फग्रहांच्या आत उष्णता वहन, स्तररचना, आणि अंतर्गत गतीविज्ञान यांची मॉडेल्स सुधारता येतील. ही वैशिष्ट्ये अशा ग्रहांचा काळानुरूप विकास कसा होतो हे घडवतात आणि अंतर्गत रचनेद्वारे अप्रत्यक्षपणे त्यांच्या चुंबकीय व वातावरणीय वर्तनावरही परिणाम करू शकतात.

दिलेल्या स्रोत मजकुरात हा निकाल असा मांडला आहे की वैज्ञानिकांनी प्रथमच ही घटना निर्माण करणारी प्रक्रिया अनुकरण केली. त्या अहवालावरून पाहता, हा प्रयोग महत्त्वाचा आहे कारण तो संपूर्ण ग्रहाची लघुरूपात पुनर्रचना करत नाही, तर संबंधित उच्च-दाब रूपांतरणांपैकी एक वेगळे करून मागील प्रयत्नांपेक्षा चांगल्या निदान पद्धतींनी ते टिपतो.

अशी टप्प्याटप्प्याची प्रगतीच बहुतेकदा ग्रहविज्ञान पुढे नेते. संशोधक नेपच्यूनमध्ये खणू शकत नाहीत किंवा त्याच्या खोल मेंटलसदृश भागांत probes पाठवू शकत नाहीत, त्यामुळे त्यांना आवश्यक परिस्थितींच्या अरुंद पट्ट्यांची पुनर्रचना करणाऱ्या दुर्बिणीतील निरीक्षणे, सैद्धांतिक मॉडेल्स आणि प्रयोगशाळेतील प्रयोग यांच्या संयोजनावर अवलंबून राहावे लागते. त्यातील एखादा पट्टा अधिक अचूक झाला की संपूर्ण ग्रहाचे चित्र सुधारते.

संलयन संशोधकही का लक्ष देत आहेत

याचे परिणाम फक्त ग्रहांपुरते मर्यादित नाहीत. स्रोत मजकूर म्हणतो की त्याच भौतिकीमुळे संशोधकांना संलयन ऊर्जा उत्पादन तीनपट वाढविण्यास मदत होऊ शकते. हा दावा संकुचित अर्थाने वाचला पाहिजे: दिलेल्या साहित्यामध्ये पूर्ण तांत्रिक मार्ग किंवा रिऍक्टर-स्तरीय कार्यक्षमतेत तीनपट वाढ याचे प्रात्यक्षिक दिलेले नाही. परंतु तीव्र शॉक संपीडनाखाली पदार्थ कसे वागतात हे समजून घेणे inertial confinement fusion संशोधनाला दिशा देऊ शकते, जिथे लेझर-चालित संपीडन आणि अल्ट्राफास्ट निदान ही मुख्य साधने आहेत.

म्हणजेच, हा संयोग वैज्ञानिक जितकाच पद्धतशीरही आहे. अत्यंत अवस्थांमधील पदार्थ निर्माण, तपासणी, आणि मॉडेलिंग करण्याची तीच क्षमता खगोलभौतिकीतील प्रश्नांनाही आणि संलयन-ऊर्जा संशोधनालाही पुढे नेऊ शकते. Omega सारख्या सुविधा नेमक्या या संगमस्थळी आहेत, जिथे ग्रहांचे अंतर्भाग, संघनित पदार्थ, आणि संलयन भौतिकीवरील प्रयोग एकमेकांना बळ देऊ शकतात.

ही आंतरशाखीय किंमतच या निकालांना वेगळे ठरवते. हा केवळ एखाद्या विचित्र पदार्थाबद्दलचा कुतूहलाचा विषय नाही. अत्यंत परिस्थितींमध्ये accurate equations of state आणि phase boundaries यांवर अवलंबून असलेल्या अनेक संशोधन क्षेत्रांमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या simulations वरचा विश्वास तो वाढवतो.

या निकालानंतर काय बदलते

तत्काळ बदल असा नाही की शास्त्रज्ञांना अचानक नेपच्यूनमधील diamond rain बद्दल सर्व काही माहीत झाले. अधिक अर्थपूर्ण बदल असा की, प्रयोग आणि सिद्धांत यांच्यातील एक हट्टी विसंगती लक्षणीयरीत्या कमी झाल्यासारखी दिसते. त्यामुळे मॉडेल तयार करणाऱ्यांना पुढील कामासाठी अधिक स्वच्छ पाया मिळतो.

हे जुन्या प्रश्नांना नव्याने तपासण्यात सुधारित निदान पद्धतींची भूमिका देखील दाखवते. पूर्वीची मोजमापे इतकी अनिश्चित होती की सिद्धांतकार आणि प्रयोगकर्ते त्यांचे निष्कर्ष पूर्णपणे जुळवू शकत नव्हते. अचूक वेळेने घेतलेल्या shock-compression प्रयोगादरम्यान केलेली चांगली एक्स-रे डिफ्रॅक्शन मोजमापे आता तो वाद मिटविल्यासारखी दिसतात.

विज्ञानविषयक बातम्यांच्या कव्हरेजसाठी ही अशी प्रगती आहे ज्याकडे लक्ष द्यायला हवे: काल्पनिक ग्रहचित्राविषयीचा गाजावाजा नव्हे, तर अत्यंत परिस्थितींमध्ये पदार्थ मोजण्याच्या आणि मॉडेल करण्याच्या पद्धतीत झालेली ठोस सुधारणा. पडणाऱ्या हिऱ्यांची प्रतिमा जनतेचे लक्ष वेधते. खरी कथा अशी की दूरच्या ग्रहांशी संबंधित एक पदार्थ-भौतिकी समस्या आता अधिक हाताळण्यायोग्य झाली आहे, आणि त्या सुधारणेचे तरंग इतर उच्च-ऊर्जा संशोधन क्षेत्रांपर्यंत जाऊ शकतात.

• या प्रयोगात Omega Laser Facility मध्ये हिऱ्यावर लेझर-चालित shock compression वापरले.
• संशोधकांनी पृथ्वीच्या केंद्राच्या दाबाच्या तीनपटांहून अधिक आणि सूर्याच्या पृष्ठभागाइतक्या तापमानाच्या परिस्थितींचे निरीक्षण केले.
• नव्या एक्स-रे डिफ्रॅक्शन मोजमापांनी निरीक्षित हिऱ्याच्या वितळण्याच्या वर्तनाला आधुनिक क्वांटम-आधारित मॉडेल्सशी जुळवले.
• या निष्कर्षांमुळे बर्फग्रहांच्या अंतर्भागांचे मॉडेल्स अधिक मजबूत होतात आणि संलयन-संबंधित अत्यंत पदार्थ संशोधनालाही मदत होऊ शकते.

हा लेख Phys.org च्या वार्तांकनावर आधारित आहे. मूळ लेख वाचा.