"باستخدام ليزر صغير، العلماء يحققون درجات حرارة وضغوط شديدة تشبه ظروف النجوم"

استخدام الليزر الصغير في خلق ظروف قاسية: تقدم ثوري في الأبحاث الفلكية

تشهد النجوم والكواكب ظروفًا قاسية للغاية، حيث يصل الضغط إلى ملايين البارات والحرارة إلى عدة ملايين درجة مئوية. على الرغم من إمكانية تقليد هذه الظروف في المختبر باستخدام تقنيات متقدمة، فإن هذه التجارب غالبًا ما تكون محدودة من حيث المدة والحجم. حتى الآن، كانت هذه التجارب تتطلب أقوى الليزرات في العالم، مثل المنشأة الوطنية للاشتعال (NIF) في كاليفورنيا، والتي تتسم بالندرة والفرص المحدودة.

ابتكار جديد باستخدام ليزر صغير

لكن مجموعة بحثية بقيادة مركز هيلمولتز-تسينتروم دريسدن-روسندورف (HZDR)، بالتعاون مع زملائهم من XFEL الأوروبي، قد حققت إنجازًا كبيرًا في هذا المجال. تمكنت هذه المجموعة من خلق ومراقبة ظروف قاسية باستخدام ليزر أصغر بكثير مما كان مطلوبًا في السابق. في قلب هذه التقنية الجديدة يوجد سلك نحاسي رقيق، أقل سمكًا من شعرة الإنسان، وفقًا لما أفادت به المجموعة في مجلة Nature Communications.

التقنية المستخدمة في التجارب

في السابق، كان العلماء يطلقون وميض ليزر عالي الطاقة على عينة من المادة، عادةً ما تكون ورقة رقيقة، مما يتسبب في تسخين المادة فجأة وتوليد موجة صدمة تمر عبر العينة. هذه الموجة تضغط وتسخن المادة، مما يخلق ظروفًا مشابهة لتلك التي توجد في داخل كوكب أو في قشرة نجم. الشق الزمني القصير كافٍ لدراسة الظواهر باستخدام تقنيات قياس خاصة، مثل وميض الأشعة السينية القوية للغاية من XFEL الأوروبي في شينيفيلد بالقرب من هامبورغ، ألمانيا.

نتائج التجارب ودلالاتها

في أقوى ليزر للأشعة السينية في أوروبا، يقود HZDR تحالف مستخدمين دوليًا يسمى HIBEF - خط الأشعة الدولي لحقول القسوة. يشغل هذا التحالف ليزرًا في محطة التجارب كثافة الطاقة العالية (HED-HIBEF)، الذي يولد نبضات فائقة القصر بقدرة حوالي جول واحد فقط. لكن بسبب قصر مدة النبض، يحقق الليزر خروجًا قدره 100 تيراوات. استخدمت مجموعة البحث هذا الليزر لإطلاقه على سلك نحاسي رقيق بسماكة 25 ميكرومتر فقط.

اكتشافات غير متوقعة

“ثم تمكنا من استخدام وميض الأشعة السينية القوي من XFEL الأوروبي لمراقبة ما يحدث داخل السلك”، كما يوضح الدكتور أليخاندرو لاسو غارسيا، المؤلف الرئيسي للورقة. “هذه المجموعة من الليزر القصير ونظام الليزر بالأشعة السينية فريدة في العالم. بفضل الجودة العالية وحساسية شعاع الأشعة السينية، تمكنا من ملاحظة تأثير غير متوقع.”

يمثل هذا التقدم خطوة كبيرة في فهم الظروف القاسية داخل النجوم والكواكب، وقد يفتح آفاقًا جديدة في البحث الفلكي وتطوير تقنيات جديدة لمراقبة واختبار المواد في ظروف غير مألوفة.

موجات صدمة مركزة: تقدم جديد في دراسة الظروف القاسية

في إطار الأبحاث الحديثة، قامت فرق علمية بدراسة تأثيرات نبضات الليزر والأشعة السينية على سلك نحاسي رقيق، مما أتاح لهم تسجيل “فيلم بالأشعة السينية” مفصل للحدث. هذا التقدم يأتي من خلال تغيير منهجي للوقت بين تأثير الوميضين، مما يوفر رؤى جديدة حول كيفية تفاعل هذه الموجات.

تفاعل الليزر مع السلك النحاسي

يوضح الدكتور توما تونسيان، رئيس قسم HIBEF، قائلاً: “أولاً، يتفاعل نبض الليزر مع السلك ويولد موجة صدمة محلية تمر عبر السلك كنوع من التفجير وتؤدي في النهاية إلى تدميره”. بعد ذلك، تنتج الإلكترونات عالية الطاقة التي تتكون عند تأثير الليزر على سطح السلك، وتبدأ في تسخين السطح بسرعة. هذه الإلكترونات السريعة تولد موجات صدمة إضافية تجري من جميع الاتجاهات نحو مركز السلك، حيث تتصادم وتولد ضغوطًا ودرجات حرارة عالية جدًا.

قياسات وتحليل البيانات

أظهرت القياسات أن كثافة النحاس في وسط السلك كانت مؤقتًا أعلى بثماني إلى تسع مرات من كثافة النحاس في الحالة الباردة. “تشير محاكيات الكمبيوتر لدينا إلى أننا وصلنا إلى ضغط قدره 800 ميغابار”، يقول البروفيسور توماس كوان، مدير معهد الفيزياء الإشعاعية في HZDR ومبادر تحالف HIBEF. “هذا يعادل 800 مليون مرة الضغط الجوي و200 مرة الضغط الذي يسود داخل الأرض.” كما تم الوصول إلى درجات حرارة ضخمة تصل إلى 100,000 درجة مئوية، وفقًا لمعايير الأرض.

آفاق الاندماج النووي: استخدامات أوسع

هذه الظروف القاسية تقترب من تلك الموجودة في كورونا نجم قزم أبيض. “قد تُستخدم طريقتنا أيضًا لتحقيق ظروف مشابهة لتلك الموجودة في داخل كواكب الغاز الضخمة”، يؤكد لاسو غارسيا. ويشمل ذلك ليس فقط العمالقة المعروفين مثل المشتري، ولكن أيضًا العديد من الكواكب الخارجية البعيدة التي تم اكتشافها مؤخرًا. وقد وجهت مجموعة البحث الآن اهتمامها إلى دراسة أسلاك مصنوعة من مواد أخرى، مثل الحديد والبلاستيك، والتي تحتوي على عناصر مشابهة لتلك الموجودة في النجوم وكوروناها.

تطبيقات في البحث العلمي والاندماج النووي

تعد الطريقة الجديدة في القياس مفيدة ليس فقط لعلم الفلك ولكن أيضًا لمجالات بحث أخرى. “تظهر تجربتنا بطريقة مثيرة للإعجاب كيف يمكننا توليد كثافات ودرجات حرارة عالية جدًا في مجموعة متنوعة من المواد”، يقول أولف زاستراو، رئيس مجموعة HED في XFEL الأوروبي. “سوف تأخذ هذه الطريقة خطوة مهمة إلى الأمام في بحث الاندماج.”

حالياً، تعمل عدة فرق بحثية وشركات ناشئة حول العالم على تطوير محطات طاقة الاندماج استنادًا إلى الليزرات عالية الأداء. المبدأ الأساسي لهذه التقنية هو تصادم ومضات الليزر القوية بكبسولة وقود مصنوعة من الهيدروجين المجمد من جميع الجهات، مما يؤدي إلى إشعال الكبسولة وإنتاج طاقة أكبر من تلك التي تم إدخالها. “بفضل طريقتنا، يمكننا أن نلاحظ بالتفصيل ما يحدث داخل الكبسولة عندما تضربها نبضات الليزر”، يصف كوان التجارب المستقبلية. “نتوقع أن يكون لهذا تأثير كبير على البحث الأساسي في هذا المجال.”