Dentro de las estrellas y los planetas prevalecen condiciones extremas. La presión alcanza millones de bares y la temperatura puede alcanzar varios millones de grados. Los métodos más modernos permiten crear tales estados de la materia en el laboratorio, aunque sólo en un abrir y cerrar de ojos y en volúmenes minúsculos. Hasta ahora, esto requería los láseres más potentes del mundo, como los del National Ignition Facility (NIF) en California. Pero estos gigantes luminosos son sólo unos pocos y, en consecuencia, las oportunidades de experimentación son escasas. Un equipo de investigación dirigido por el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), junto con colegas del XFEL europeo, ha logrado crear y observar condiciones extremas con un láser muy pequeño. En el corazón de la nueva tecnología se encuentra un alambre de cobre, más fino que un cabello humano, como informa el grupo en la revista Comunicaciones de la naturaleza.
Hasta ahora, los expertos disparaban rayos láser de muy alta energía sobre una muestra de material, normalmente una lámina fina. Esto hace que el material de la superficie se caliente repentinamente. Esto crea una onda de choque que viaja a través de la muestra. Comprime el material y lo calienta. Durante unos pocos nanosegundos se crean condiciones similares a las que se dan en el interior de un planeta o en la capa de una estrella. Un pequeño espacio de tiempo es suficiente para estudiar el fenómeno utilizando técnicas de medición específicas, como los extremadamente fuertes destellos de rayos X del XFEL europeo en Schoenfeld, cerca de Hamburgo, Alemania.
Aquí, en el láser de rayos X más potente de Europa, HZDR lidera un consorcio internacional de usuarios llamado HIBEF – Helmholtz International Beamline for Extreme Fields. Entre otras cosas, el consorcio opera un láser en la estación Experimento de Alta Densidad de Energía (HED-HIBEF), que produce pulsos muy cortos que no tienen una energía particularmente alta: solo un julio. Sin embargo, a 30 femtosegundos, son lo suficientemente cortos como para producir 100 teravatios. El equipo de investigación utilizó este láser para disparar HED-HIBEF a un fino alambre de cobre, de sólo 25 micrómetros de espesor. “Luego pudimos utilizar los potentes destellos de rayos X del X-FEL europeo para observar lo que sucedía dentro del cable”, explica el Dr. Alejandro Lasso García, autor principal del artículo. “Esta combinación de un láser de pulso corto y un láser de rayos X es única en el mundo. Sólo gracias a la alta calidad y sensibilidad del haz de rayos X pudimos observar un efecto inesperado”.
Ondas de choque concentradas.
En una serie de mediciones, los científicos variaron sistemáticamente el intervalo de tiempo entre el impacto del destello láser y los rayos X que lo atraviesan. Esto permitió registrar una “película de rayos X” detallada del evento: “Primero, el pulso del láser interactúa con el cable y produce una onda de choque localizada que viaja a través del cable como una explosión y eventualmente lo destruye”, explica HIBEF. Jefe de Departamento Dr. Toma Tonsian. “Pero antes de eso, se producen algunos electrones de alta energía cuando el láser impacta y corren a lo largo de la superficie del cable”. Estos electrones rápidos calientan rápidamente la superficie del cable y generan más ondas de choque. Luego, estos van desde cada lado hasta el centro del cable. Durante un breve momento, todas las ondas de choque chocan allí y crean presiones y temperaturas extremadamente altas.
Las mediciones mostraron que la densidad del cobre en el centro del cable fue brevemente de ocho a nueve veces mayor que la del cobre frío “normal”. “Nuestras simulaciones por ordenador muestran que hemos alcanzado presiones de 800 megabares”, afirma el profesor Thomas Cowan, director del Instituto de Física de Radiaciones HZDR y fundador del consorcio HIBEF. “Esto equivale a 800 millones de veces la presión atmosférica y 200 veces la presión dentro de la Tierra”. La temperatura también era muy alta para los estándares terrestres: 100.000 grados Celsius.
Perspectivas sobre la fusión nuclear
Estas son las condiciones que ocurren cerca de la corona de una estrella enana blanca. “Nuestro método también puede utilizarse para obtener condiciones similares a las del interior de los planetas gigantes gaseosos”, subraya Lasso-García. Esto incluye no sólo gigantes conocidos como Júpiter, sino también una gran cantidad de exoplanetas distantes descubiertos en los últimos años. El equipo de investigación ahora ha centrado su atención en cables hechos de otros materiales como hierro y plástico. “El plástico está hecho básicamente de hidrógeno y carbono”, dice Tonsian. “Y ambos elementos se encuentran en las estrellas y en su corona”.
El nuevo método de medición debería ser útil no sólo para la astrofísica sino también para otros campos de investigación. “Nuestro experimento muestra de manera impresionante cómo podemos crear densidades y temperaturas muy altas en una variedad de materiales”, afirma Ulf Zastrau, jefe del grupo HED en el XFEL europeo. “Esto supondrá un gran paso adelante en la investigación de la fusión”. Actualmente, varios equipos de investigación y startups de todo el mundo están trabajando en plantas de energía de fusión basadas en láseres de alta eficiencia.
Principio: potentes rayos láser rebotan alrededor de una cápsula de combustible hecha de hidrógeno congelado y la encienden, liberando más energía de la que se había puesto en ella. mediante pulsos láser”, describe Cowan los experimentos futuros. “Esperamos que esto pueda tener un gran impacto en la investigación básica en este campo”.
