வைரத்தை உருக்கும் பரிசோதனை யுரேனஸ் மற்றும் நெப்ட்யூன் குறித்து புதிய ஒளியைப் பெறச்செய்கிறது

அதிகமான பொருளின் ஒரு ஆய்வுக்கூடச் சோதனை பனிக்கோள் வகை கோள்களைப் புரிந்துகொள்ள புதிய சாளரத்தைத் திறக்கிறது

இயற்பியலாளர்கள் வைரத்தை இவ்வளவு கடுமையான நிலைகளுக்கு உட்படுத்தினர்; அந்தப் பொருள் ஒரு கணம் சூரியன் மேற்பரப்புக்கு இணையான வெப்பநிலைகளையும், பூமியின் மையத்தில் உள்ளதை விட மூன்றுமடங்கிற்கும் அதிகமான அழுத்தங்களையும் எட்டியது. இந்தச் செயல்முறையில், சுமார் இரண்டு தசாப்தங்களாக நீடித்து வந்த ஒரு அறிவியல் கருத்து வேறுபாட்டை அவர்கள் தீர்த்துவிட்டதாகவும், யுரேனஸ் மற்றும் நெப்ட்யூன் ஆகியவற்றின் ஆழத்தில் என்ன நடக்கக்கூடும் என்பதற்கான முக்கியமான படத்தின் ஒரு பகுதியை மேலும் தெளிவுபடுத்தியதாகவும் அவர்கள் கூறுகின்றனர்.

Nature Physics இதழில் வெளியான ஒரு கட்டுரையில் விவரிக்கப்பட்டு, Lawrence Livermore National Laboratory தலைமையிலான பரிசோதனைகளிலிருந்து அறியப்பட்ட இந்த வேலை, கோள் அறிவியலில் நீண்ட காலமாக நிலவும் ஒரு கருத்தை மையமாகக் கொண்டது: ‘பனிக்கோள்’ என அழைக்கப்படும் கோள்களின் உள்ளே கார்பன் நிறைந்த பொருள் வைரமாக அழுத்தப்பட்டு, பெரும்பாலும் “வைர மழை” என்று விவரிக்கப்படும் விசித்திர நிகழ்வை உருவாக்க முடியும் என்பதே அந்தக் கருத்து. இந்தக் கோட்பாடு பல ஆண்டுகளாகச் சுற்றிவந்தாலும், அதற்குக் கீழுள்ள ஒரு அடிப்படைப் பொருள் சார்ந்த கேள்வி இன்னும் தீர்க்கப்படாமல் இருந்தது. மிகை நிலைகளில் வைரத்தின் உருகும் நடத்தை பற்றிய அளவீடுகள் குவாண்டம்-இயந்திர மாதிரிகளுடன் தெளிவாக ஒத்துப்போகவில்லை.

இந்த புதிய பரிசோதனை, கட்டுப்படுத்தப்பட்ட நிலைகளில் நேரடி அவதானிப்புகளைப் பயன்படுத்தி அந்த இடைவெளியைச் சுருக்குவதால் முக்கியத்துவம் பெறுகிறது. கோள் விஞ்ஞானிகளுக்கு, இது தொலைதூர உலகங்களின் ஆழ்ந்த உள்பகுதிகளை மாதிரியாக்க பயன்படுத்தப்படும் இயற்பியல் முன்கணிப்புகளை மேம்படுத்துகிறது. அதிக-ஆற்றல்-அடர்த்தி இயற்பியல் ஆராய்ச்சியாளர்களுக்கு, இது இணைவு பரிசோதனைகளுடன் தொடர்புடைய அதே வகையான மிகை நிலைகளில் உள்ள பொருளைப் பற்றிய புரிதலையும் கூர்மைப்படுத்துகிறது.

ஆராய்ச்சியாளர்கள் உண்மையில் என்ன செய்தார்கள்

குழு இந்தப் பணியை University of Rochester இன் Omega Laser Facility-யில் மேற்கொண்டது. வழங்கப்பட்ட மூல உரையின் படி, ஆராய்ச்சியாளர்கள் ஒரு வைர மாதிரியின் வெளிப்புற அடுக்கை ஆவியாக்க லேசரைப் பயன்படுத்தினர். அதனால் உருவான அதிர்வலை, பொருளின் மீதிப் பகுதியின் வழியாகச் சென்று, சுமார் ஒரு பில்லியனில் ஒரு பங்கு வினாடிக்கு அதை மாபெரும் அழுத்தத்துக்கு உட்படுத்தியது.

அந்தச் சிறிய இடைவெளிக்குள், அல்ட்ராஃபாஸ்ட் X-ray diffraction உட்பட பல கண்டறிதல் கருவிகளைக் கொண்டு என்ன நடந்தது என்பதை விஞ்ஞானிகள் கண்காணித்தனர். இது முக்கியமானது, ஏனெனில் வைரம் உருகுவதைப் புரிந்துகொள்ள முன்பு மேற்கொண்ட முயற்சிகளில் கோட்பாட்டுடன் 20% வரை மாறுபடும் அளவீடுகள் கிடைத்திருந்தன; இந்தச் சூழலில் அது 1,000 kelvins-க்கு மேற்பட்ட வேறுபாட்டைக் குறித்தது. இத்தகைய வித்தியாசம், கோள் உள்பகுதிகளை உருவகப்படுத்தப் பயன்படுத்தப்படும் மாதிரிகள் உண்மையாக முன்கணிப்பு திறன் கொண்டவையா அல்லது வெறும் அணுகுமுறை கணக்குகளா என்பதை அறிய கடினமாக்குகிறது.

புதிய X-ray diffraction தரவுகளுடன், தங்களின் அளவிடப்பட்ட வைர உருகும் புள்ளி நவீன குவாண்டம் இயற்பியல்-அடிப்படையிலான கணக்குகளுடன் ஒத்துப்போகிறது என்று ஆசிரியர்கள் முடிவுசெய்தனர். இந்த ஒற்றுமை ஒரு தொழில்நுட்ப விவாதத்தை மட்டும் முடித்து வைக்கவில்லை. அதிக அழுத்தம் மற்றும் வெப்பநிலையில் கார்பனை விவரிக்கப் பயன்படுத்தப்படும் கோட்பாட்டு枠மை முன்பைவிட வலுவான அடிப்படையில் இருப்பதை அது சுட்டிக்காட்டுகிறது.

பெரிய கோள்களுக்கு வைரம் ஏன் முக்கியம்

யுரேனஸ் மற்றும் நெப்ட்யூன் பூமியைப் போல அல்ல; ஜூப்பிட்டர் மற்றும் சாடர்ன் போன்ற பெரிய வாயுக் கோள்களையும் போல அல்ல. அவற்றின் உள்ளகப் பகுதிகள் மிகுந்த அழுத்தத்தின் கீழ் எளிதில் ஆவியாகும் பொருட்களின் கலவைகளைக் கொண்டிருக்கலாம் என்று கருதப்படுகிறது, மேலும் இத்தகைய சூழல்கள் கார்பன் கொண்ட சேர்மங்களை அதிரடியான முறையில் மாற்றக்கூடும் என்று விஞ்ஞானிகள் நீண்ட காலமாக சந்தேகித்துள்ளனர். ஒரு கோளின் உள்ளே வைரங்கள் பொழியும் என்ற பிரபலமான காட்சி ஒரு எளிமைப்படுத்தல்தான்; ஆனால் பெருங்கோள் நிலைகளுக்கு உட்படுத்தப்படும்போது பொருள் எவ்வாறு பிரிகிறது, உருகுகிறது, நகர்கிறது என்ற உண்மையான அறிவியல் கேள்வியை அது எடுத்துக்காட்டுகிறது.

அதனால்தான் வைரத்தின் phase நடத்தை ஒரு கோட்பாட்டு பொருள்-சார் பிரச்சினை மட்டுமல்ல. வைரம் எப்போது திடமாக இருக்கும், எப்போது உருகும், சுற்றியுள்ள பொருளுடன் எவ்வாறு தொடர்புகொள்கிறது என்பதை ஆராய்ச்சியாளர்கள் மேலும் துல்லியமாக நிர்ணயிக்க முடிந்தால், பனிக்கோள் வகை கோள்களின் உள்ளகத்தில் வெப்ப பரிமாற்றம், அடுக்கமைப்பு, மற்றும் உள்செயலாக்கம் குறித்த மாதிரிகளை மேம்படுத்த முடியும். இத்தகைய பண்புகள், அந்தக் கோள்கள் காலப்போக்கில் எவ்வாறு வளர்கின்றன என்பதையும், அவற்றின் உள்அமைப்பு வழியாக மறைமுகமாக அவற்றின் காந்த மற்றும் வளிமண்டல நடத்தை மீது தாக்கம் செலுத்தக்கூடும்.

வழங்கப்பட்ட மூல உரை, இந்த நிகழ்வை உருவாக்கும் என நம்பப்படும் செயல்முறையை விஞ்ஞானிகள் முதன்முறையாகப் பிரதிபலித்ததாகக் கூறுகிறது. அந்தச் செய்தியை அடிப்படையாகக் கொண்டால், இந்தப் பரிசோதனை குறிப்பிடத்தக்கது; ஏனெனில் இது முழு கோளையையும் சிறிய அளவில் மீண்டும் உருவாக்குவதில்லை, ஆனால் தொடர்புடைய உயரழுத்த மாற்றங்களில் ஒன்றை தனிமைப்படுத்தி, முந்தைய முயற்சிகளை விட சிறந்த கண்டறிதல்களுடன் அதை பதிவு செய்கிறது.

அத்தகைய படிப்படியான முன்னேற்றமே பெரும்பாலும் கோள் அறிவியலை முன்னேற்றுகிறது. நெப்ட்யூனுக்குள் தோண்டும் கருவியை அனுப்ப முடியாது, அதன் ஆழ்ந்த மண்டலப் பகுதிகளுக்குள் probe-களையும் அனுப்ப முடியாது; எனவே அவர்கள் தேவையான நிலைகளின் சிறிய பகுதிகளை மீண்டும் உருவாக்கும் தொலைநோக்கி அவதானிப்புகள், கோட்பாட்டு மாதிரிகள், ஆய்வுக்கூடப் பரிசோதனைகள் ஆகியவற்றின் கூட்டிணைப்பை நம்புகிறார்கள். அவற்றில் ஒன்றாவது மேலும் துல்லியமானதாக மாறினால், முழு கோளின் படம் மேம்படுகிறது.

இணைவு ஆராய்ச்சியாளர்களும் ஏன் கவனம் செலுத்துகிறார்கள்

இதன் தாக்கங்கள் கோள்களோடு மட்டும் நிற்கவில்லை. அதே இயற்பியல் ஆராய்ச்சியாளர்களுக்கு இணைவு ஆற்றல் உற்பத்தியை மூன்று மடங்கு அதிகரிக்க உதவக்கூடும் என்று மூல உரை கூறுகிறது. அந்தக் கூற்றை குறுகிய அர்த்தத்தில் மட்டுமே பார்க்க வேண்டும்: வழங்கப்பட்ட உள்ளடக்கம் முழுமையான தொழில்நுட்ப வழிமுறையையோ, reactor-அளவிலான செயல்திறன் மூன்றுமடங்கு உயர்வுக்கான சோதனைக் கண்காட்சியையோ வழங்கவில்லை. ஆனால் தீவிர அதிர்வு-அழுத்தத்தில் பொருட்கள் எப்படி நடக்கின்றன என்பதைப் புரிந்துகொள்வது inertial confinement fusion ஆராய்ச்சிக்கு உதவலாம்; அங்கு லேசர் இயக்கப்பட்ட சுருக்கமும் அல்ட்ராஃபாஸ்ட் கண்டறிதல்களும் மைய கருவிகளாக உள்ளன.

வேறு வார்த்தைகளில், இந்த இணைப்பு அறிவியல் ரீதியாக மட்டுமல்ல, முறையியல் ரீதியாகவும் உள்ளது. மிகை நிலை பொருள் அவதானிப்புகளை உருவாக்கவும், சோதிக்கவும், மாதிரியாக்கவும் இருக்கும் அதே திறன், வானியல் கேள்விகளையும் இணைவு-ஆற்றல் ஆராய்ச்சியையும் முன்னேற்ற முடியும். Omega போன்ற வசதிகள் துல்லியமாக அந்தச் சந்திப்பில்தான் உள்ளன; அங்கு கோள் உள்பகுதிகள், ஒட்டியுள்ள பொருள், இணைவு இயற்பியல் ஆகியவற்றின் பரிசோதனைகள் ஒருவரை ஒருவர் வலுப்படுத்த முடியும்.

இந்த இடைத் துறை மதிப்பே இந்த முடிவுகளை தனித்துவமாக்குகிறது. இது அபூர்வமான ஒரு பொருளைப் பற்றிய வெறும் ஆர்வமல்ல. மிகை நிலைகளில் துல்லியமான state சமன்பாடுகள் மற்றும் phase boundaries-ஐ நம்பியிருக்கும் பல ஆராய்ச்சி துறைகளில் பயன்படுத்தப்படும் simulation-களில் நம்பிக்கையை இது மேம்படுத்துகிறது.

இந்த முடிவுக்குப் பிறகு என்ன மாறுகிறது

உடனடி மாற்றம் என்பது நெப்ட்யூனுக்குள் இருக்கும் வைர மழை பற்றி விஞ்ஞானிகள் திடீரென அனைத்தையும் அறிந்துவிட்டார்கள் என்பதல்ல. இன்னும் பொருத்தமான மாற்றம் என்னவெனில், பரிசோதனைக்கும் கோட்பாட்டுக்கும் இடையேயான ஒரு உறுதியான முரண்பாடு கணிசமாக சுருங்கியதாகத் தெரிகிறது. இது மாதிரி உருவாக்குபவர்களுக்கு எதிர்காலப் பணிக்கான தெளிவான அடித்தளத்தை வழங்குகிறது.

மேலும், பழைய கேள்விகளை மறுபரிசீலனை செய்வதில் மேம்பட்ட கண்டறிதல்களின் பங்கையும் இது வெளிப்படுத்துகிறது. முன்பு செய்யப்பட்ட அளவீடுகள் போதுமான அளவு தெளிவின்மையை விட்டுச் சென்றதால், கோட்பாட்டாளர்களும் பரிசோதனையாளர்களும் தங்களின் முடிவுகளை முழுமையாக ஒத்திசைக்க முடியவில்லை. துல்லியமாக நேரமிடப்பட்ட shock-compression பரிசோதனையின் போது எடுக்கப்பட்ட சிறந்த X-ray diffraction அளவீடுகள், இப்போது அந்த முரண்பாட்டைத் தீர்த்ததாகத் தோன்றுகின்றன.

அறிவியல் செய்திக் கவரேஜைப் பொருத்தவரை, இது கவனிக்கத் தகுந்த முன்னேற்றம்: கற்பனைமிக்க ஒரு கோள் படத்தைக் கொண்டு ஹைப் செய்வது அல்ல, மாறாக மிகை நிலைகளில் பொருளை அளவிடவும் மாதிரியாக்கவும் உள்ள முறையில் ஏற்படும் தெளிவான மேம்பாடு. பொழியும் வைரங்களின் படம் பொதுமக்களின் கவனத்தை ஈர்க்கிறது. உண்மையான கதை என்னவென்றால், தொலைதூரக் கோள்களுடன் இணைந்த ஒரு பொருள்-இயற்பியல் பிரச்சினை இப்போது அதிகமாக கையாளக்கூடியதாக மாறியுள்ளது, மேலும் அந்த மேம்பாடு பிற அதிக-ஆற்றல் ஆராய்ச்சி துறைகளிலும் அலைபாயலாம்.

• Omega Laser Facility-யில் வைரத்தில் லேசர் இயக்கப்பட்ட shock compression பயன்படுத்தப்பட்டது.
• பூமியின் மைய அழுத்தத்தின் மூன்றுமடங்கிற்கும் அதிகமான மற்றும் சூரியன் மேற்பரப்புக்கு இணையான வெப்பநிலைகளைக் கொண்ட நிலைகளை ஆராய்ச்சியாளர்கள் கவனித்தனர்.
• புதிய X-ray diffraction அளவீடுகள், அவதானிக்கப்பட்ட வைர உருகும் நடத்தையை நவீன குவாண்டம்-அடிப்படையிலான மாதிரிகளுடன் ஒத்திசைத்தன.
• இந்தக் கண்டுபிடிப்புகள் பனிக்கோள் வகை கோள்களின் உள்ளக மாதிரிகளை வலுப்படுத்துகின்றன; மேலும் இணைவு-சார் மிகைப் பொருள் ஆராய்ச்சிக்கும் உதவக்கூடும்.

இந்த கட்டுரை Phys.org வழங்கிய செய்தியை அடிப்படையாகக் கொண்டது. மூலக் கட்டுரையைப் படிக்கவும்.