వజ్రాన్ని కరిగించిన ప్రయోగం యురేనస్, నెప్ట్యూన్‌పై కొత్త వెలుగు వేసింది

అతి తీవ్రమైన పదార్థంపై ల్యాబ్ పరీక్ష మంచు మహాగ్రహాలపై కొత్త దృశ్యాన్ని అందిస్తోంది

భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు వజ్రాన్ని అంత తీవ్రమైన పరిస్థితులకు తీసుకువెళ్లారు; ఆ పదార్థం క్షణకాలం సూర్యుని ఉపరితలంతో సమానమైన ఉష్ణోగ్రతలను, అలాగే భూమి కేంద్రంలో ఉన్నదానికన్నా మూడు రెట్లు ఎక్కువ ఒత్తిడిని చేరింది. ఈ ప్రక్రియలో, సుమారు రెండు దశాబ్దాలుగా కొనసాగుతున్న శాస్త్రీయ వివాదాన్ని తాము పరిష్కరించామని, యురేనస్ మరియు నెప్ట్యూన్ లోతుల్లో ఏమి జరుగుతుండవచ్చో అన్న చిత్రంలోని ఒక కీలక భాగాన్ని మరింత పదునుగా చేశామని వారు అంటున్నారు.

Nature Physics లో ప్రచురితమైన పేపర్‌లో వివరించబడిన, Lawrence Livermore National Laboratory నేతృత్వంలోని ప్రయోగాల నుండి నివేదించబడిన ఈ పని, గ్రహ విజ్ఞానంలో దీర్ఘకాలంగా ఉన్న ఒక ఆలోచనపై దృష్టి పెట్టింది: “ice giants” అని పిలవబడే గ్రహాల లోపల కార్బన్-సమృద్ధ పదార్థం వజ్రంగా సంకోచించబడి, తరచూ “diamond rain” అని వివరించే అద్భుత ఘటనను సృష్టించగలదన్న భావన. ఈ భావన సంవత్సరాలుగా ప్రాచుర్యంలో ఉన్నప్పటికీ, దానికి ఆధారమైన ఒక పదార్థ సంబంధిత ప్రశ్న మాత్రం అనిశ్చితంగానే ఉంది. అత్యంత పరిస్థితుల్లో వజ్రం కరుగుదల ప్రవర్తనకు సంబంధించిన కొలతలు క్వాంటం-యాంత్రిక నమూనాలతో స్పష్టంగా సరిపోలలేదు.

ఈ కొత్త ప్రయోగం, నియంత్రిత పరిస్థితుల్లో ప్రత్యక్ష పరిశీలనలను ఉపయోగించి ఆ ఖాళీని తగ్గించడంవల్ల ప్రాముఖ్యం సంతరించుకుంది. గ్రహ శాస్త్రవేత్తల కోసం, ఇది దూర ప్రపంచాల లోతైన అంతర్భాగాలను నమూనా చేయడానికి ఉపయోగించే భౌతిక అనుమానాలను మెరుగుపరుస్తుంది. high-energy-density physics పరిశోధకులకు, ఇది ఫ్యూజన్ ప్రయోగాలకు సంబంధించిన అదే విస్తృత స్థాయి అతిశయ పరిస్థితుల్లో పదార్థ ప్రవర్తనపై అవగాహనను కూడా పదునుపరుస్తుంది.

పరిశోధకులు నిజంగా ఏమి చేశారు

ఈ బృందం University of Rochester యొక్క Omega Laser Facility లో ఈ పనిని నిర్వహించింది. అందించిన మూల పాఠ్య ప్రకారం, పరిశోధకులు లేజర్‌ను ఉపయోగించి వజ్ర నమూనా బయటి పొరను ఆవిరి చేశారు. దాని వల్ల ఏర్పడిన షాక్ వేవ్ పదార్థం మిగతా భాగం గుండా ప్రయాణించి, దాన్ని సుమారు బిలియనవ వంతు సెకనుకు అపారమైన ఒత్తిడికి లోను చేసింది.

ఆ స్వల్ప అంతరంలో, అల్ట్రాఫాస్ట్ X-ray diffraction సహా అనేక డయాగ్నస్టిక్ పరికరాలతో శాస్త్రవేత్తలు ఏమి జరిగిందో ట్రాక్ చేశారు. ఇది ముఖ్యమైనది, ఎందుకంటే వజ్రం కరుగుదలని అర్థం చేసుకోవడానికి గత ప్రయత్నాలు సిద్ధాంతంతో 20% వరకు తేడా చూపే కొలతలను ఇచ్చాయి; ఈ సందర్భంలో అది 1,000 kelvins కంటే ఎక్కువ వ్యత్యాసంగా మారింది. అలాంటి వ్యత్యాసం, గ్రహ అంతర్భాగాలను అనుకరించడానికి ఉపయోగించే నమూనాలు నిజంగా అంచనా వేయగలవా లేక కేవలం సుమారుగా ఉన్నవా అన్నది తెలుసుకోవడాన్ని కష్టతరం చేస్తుంది.

కొత్త X-ray diffraction డేటాతో, వజ్రం కోసం తమ కొలిచిన కరుగుదల బిందువు ఆధునిక క్వాంటం-భౌతికశాస్త్ర ఆధారిత గణనలకు అనుగుణంగా ఉందని రచయితలు తేల్చారు. ఈ సరితూగుదల ఒక సాంకేతిక వాదనను మాత్రమే ముగించదు. అధిక ఒత్తిడి, ఉష్ణోగ్రత వద్ద కార్బన్‌ను వివరించడానికి ఉపయోగించే సైద్ధాంతిక枠ం గతంతో పోలిస్తే మరింత దృఢమైన పునాదిపై ఉందని సూచిస్తుంది.

భారీ గ్రహాలకు వజ్రం ఎందుకు ముఖ్యం

యురేనస్, నెప్ట్యూన్ భూమికి భిన్నం, అలాగే జూపిటర్, శని వంటి పెద్ద వాయు మహాగ్రహాలకు కూడా భిన్నం. వాటి అంతర్భాగాల్లో తీవ్రమైన ఒత్తిడిలో ఉన్న అశాశ్వత పదార్థాల మిశ్రమాలు ఉంటాయని భావిస్తున్నారు, మరియు ఈ వాతావరణాలు కార్బన్ కలిగిన సమ్మేళనాలను నాటకీయంగా మార్చగలవని శాస్త్రవేత్తలు చాలా కాలంగా అనుమానిస్తున్నారు. ఒక గ్రహ అంతర్భాగంలో వజ్రాలు వర్షంలా పడుతున్నాయన్న ప్రజాదరణ పొందిన చిత్రం ఒక సరళీకరణ మాత్రమే, కానీ అది భారీ గ్రహ పరిస్థితులకు లోనైనప్పుడు పదార్థం ఎలా వేరుపడుతుంది, కరుగుతుంది, కదులుతుంది అన్న నిజమైన శాస్త్రీయ ప్రశ్నను పట్టిస్తోంది.

అందుకే వజ్రం యొక్క phase ప్రవర్తన కేవలం ఒక సారాంశ పదార్థ సమస్య కాదు. పరిశోధకులు వజ్రం ఎప్పుడు ఘనంగా ఉంటుందో, ఎప్పుడు కరుగుతుందో, చుట్టుపక్కల పదార్థంతో ఎలా పరస్పర చర్య చేస్తుందో మెరుగ్గా నిర్ధారించగలిగితే, మంచు మహాగ్రహాల లోపల ఉష్ణ రవాణా, పొరల విభజన, అంతర్గత గతిశీలతల నమూనాలను మెరుగుపరచగలరు. ఈ లక్షణాలు అటువంటి గ్రహాలు కాలక్రమంలో ఎలా అభివృద్ధి చెందుతాయో నిర్ణయించడంలో సహాయపడతాయి, అలాగే వాటి అంతర్గత నిర్మాణం ద్వారా పరోక్షంగా వాటి చుంబక, వాతావరణ ప్రవర్తనపై కూడా ప్రభావం చూపవచ్చు.

అందించిన మూల పాఠ్యం, ఈ ఘటనను సృష్టిస్తుందని భావించే ప్రక్రియను శాస్త్రవేత్తలు మొదటిసారిగా అనుకరించారని చెబుతోంది. ఆ నివేదిక ఆధారంగా, ఈ ప్రయోగం ప్రత్యేకమైనది; ఎందుకంటే ఇది పూర్తి గ్రహాన్ని చిన్న పరిమాణంలో పునఃసృష్టించదు, కానీ సంబంధిత అధిక-ఒత్తిడి మార్పులలో ఒకదాన్ని వేరుచేసి, గత ప్రయత్నాల కంటే మెరుగైన డయాగ్నస్టిక్స్‌తో దాన్ని పట్టుకుంటుంది.

అలాంటి దశలవారీ పురోగతే తరచుగా గ్రహ విజ్ఞానాన్ని ముందుకు నడిపిస్తుంది. పరిశోధకులు నెప్ట్యూన్ లోపల త్రవ్వలేరు, దాని లోతైన మాంటిల్-వంటి ప్రాంతాలలోకి probe లను పంపలేరు; కాబట్టి అవసరమైన పరిస్థితుల సంకుచిత భాగాలను పునఃసృష్టించే టెలిస్కోప్ పరిశీలనలు, సిద్ధాంత నమూనాలు, ప్రయోగశాల ప్రయోగాల కలయికపై ఆధారపడతారు. వాటిలో ఒక భాగం మరింత ఖచ్చితమైతే, మొత్తం గ్రహ చిత్రం మెరుగవుతుంది.

ఫ్యూజన్ పరిశోధకులు కూడా ఎందుకు గమనిస్తున్నారు

దీని ప్రభావాలు గ్రహాలకు మాత్రమే పరిమితం కావు. అదే భౌతిక శాస్త్రం పరిశోధకులకు ఫ్యూజన్ శక్తి ఉత్పత్తిని మూడు రెట్లు పెంచడంలో సహాయపడవచ్చని మూల పాఠ్యం చెబుతోంది. ఆ వాదనను సంకుచితంగా చదవాలి: అందించిన సమాచారంలో పూర్తి సాంకేతిక మార్గం లేదా రియాక్టర్-స్థాయి పనితీరులో మూడు రెట్లు పెరుగుదల యొక్క ప్రయోగాత్మక ప్రదర్శన లేదు. కానీ తీవ్రమైన షాక్ సంకోచంలో పదార్థాలు ఎలా ప్రవర్తిస్తాయో అర్థం చేసుకోవడం inertial confinement fusion పరిశోధనకు సమాచారాన్ని అందించగలదన్న ఆలోచనకు మద్దతు ఉంది, అక్కడ లేజర్-ఆధారిత సంకోచం మరియు అల్ట్రాఫాస్ట్ డయాగ్నస్టిక్స్ ప్రధాన పరికరాలు.

మరొక మాటలో చెప్పాలంటే, ఈ కలయిక శాస్త్రీయమైనదే కాదు, విధానపరమైనదీ కూడా. తీవ్రమైన స్థితుల్లో పదార్థాన్ని సృష్టించటం, పరీక్షించటం, నమూనా చేయగల అదే సామర్థ్యం ఖగోళ భౌతికశాస్త్ర ప్రశ్నలను, ఫ్యూజన్-శక్తి పరిశోధనను ముందుకు నడిపించగలదు. Omega వంటి సదుపాయాలు సరిగ్గా ఆ సంగమంలోనే ఉన్నాయి, అక్కడ గ్రహ అంతర్భాగాలు, condensed matter, ఫ్యూజన్ ఫిజిక్స్‌పై ప్రయోగాలు ఒకదాన్నొకటి బలోపేతం చేస్తాయి.

ఈ అంతరశాఖ విలువే ఈ ఫలితాలను ప్రత్యేకంగా నిలబెడుతుంది. ఇది కేవలం అసాధారణ పదార్థంపై ఆసక్తి కాదు. తీవ్రమైన పరిస్థితుల్లో accurate equations of state మరియు phase boundaries పై ఆధారపడే అనేక పరిశోధనా రంగాలలో ఉపయోగించే simulations పై నమ్మకాన్ని ఇది పెంచుతుంది.

ఈ ఫలితం తర్వాత ఏమి మారుతుంది

తక్షణ మార్పు ఏమిటంటే, నెప్ట్యూన్ లోపల diamond rain గురించి శాస్త్రవేత్తలు ఒక్కసారిగా అన్నీ తెలుసుకున్నారని కాదు. మరింత అర్థవంతమైన మార్పు ఏమిటంటే, ప్రయోగం మరియు సిద్ధాంతం మధ్య ఉన్న ఒక మొండి అసంగతి గణనీయంగా తగ్గినట్లు కనిపిస్తోంది. ఇది మోడల్ తయారుచేసేవారికి భవిష్యత్తు పనికి మరింత శుభ్రమైన పునాదిని ఇస్తుంది.

పాత ప్రశ్నలను మళ్లీ పరిశీలించడంలో మెరుగైన డయాగ్నస్టిక్స్ పాత్రను కూడా ఇది హైలైట్ చేస్తుంది. గత కొలతల్లో తగినంత అనిశ్చితి ఉండడంతో, సిద్ధాంతకారులు మరియు ప్రయోగకారులు తమ ఫలితాలను పూర్తిగా సమన్వయం చేయలేకపోయారు. ఖచ్చితంగా సమయబద్ధమైన shock-compression ప్రయోగంలో తీసుకున్న మెరుగైన X-ray diffraction కొలతలు ఇప్పుడు ఆ వివాదాన్ని పరిష్కరించినట్లు కనిపిస్తున్నాయి.

శాస్త్రీయ వార్తల కవరేజ్ పరంగా, గమనించదగ్గ పురోగతి ఇదే: అద్భుతమైన గ్రహచిత్రంపై హైప్ కాదు, తీవ్రమైన స్థితుల్లో పదార్థాన్ని కొలిచే, నమూనా చేసే విధానంలో వచ్చిన స్పష్టమైన మెరుగుదల. వర్షంలా పడే వజ్రాల చిత్రం ప్రజల దృష్టిని ఆకర్షిస్తుంది. అసలు కథ ఏమిటంటే, దూర గ్రహాలతో ముడిపడ్డ ఒక పదార్థ-భౌతిక శాస్త్ర సమస్య ఇప్పుడు మరింత నిర్వహణయోగ్యంగా మారింది, ఆ మెరుగుదల ఇతర అధిక-ఆర్జీ పరిశోధనా రంగాలకు కూడా వ్యాపించవచ్చు.

• ఈ ప్రయోగంలో Omega Laser Facility వద్ద వజ్రంపై లేజర్-నడిపిత shock compression ఉపయోగించారు.
• భూమి కేంద్ర ఒత్తిడికి మూడింతలకన్నా ఎక్కువ, సూర్య ఉపరితలానికి సమానమైన ఉష్ణోగ్రతల పరిస్థితులను పరిశోధకులు గమనించారు.
• కొత్త X-ray diffraction కొలతలు గమనించిన వజ్ర కరుగుదల ప్రవర్తనను ఆధునిక క్వాంటం-ఆధారిత నమూనాలతో అనుసంధానించాయి.
• ఈ కనుగొన్న విషయాలు మంచు మహాగ్రహాల అంతర్భాగ నమూనాలను బలపరుస్తాయి మరియు ఫ్యూజన్-సంబంధిత అత్యంత పదార్థ పరిశోధనకు కూడా సహాయపడవచ్చు.

ఈ వ్యాసం Phys.org నివేదిక ఆధారంగా ఉంది. మూల వ్యాసాన్ని చదవండి.