Dùng tia laser để nghiên cứu môi trường khắc nghiệt như trên Mặt trời

Các điều kiện khắc nghiệt tồn tại bên trong các ngôi sao và hành tinh như thế nào? Áp suất lên tới hàng triệu bar (1 bar là đơn vị áp suất lý tưởng ở Trái đất) và có thể nóng tới vài triệu độ. Các phương pháp hiện đại giúp tạo ra các trạng thái vật chất như vậy trong phòng thí nghiệm – mặc dù chỉ trong chớp mắt và trong một thể tích nhỏ. Cho đến nay, điều này đòi hỏi phải sử dụng các tia laser mạnh nhất thế giới. Nhưng chỉ có một số ít nơi tạo được thứ ánh sáng hủy diệt này và các cơ hội cho các thí nghiệm cũng rất hiếm.

Khám phá các điều kiện khắc nghiệt trong phòng thí nghiệm

Cho đến nay, các chuyên gia đã bắn các tia laser năng lượng cực cao vào một mẫu vật liệu, thường là một mảnh kim loại mỏng. Dưới tác động của laser năng lượng cực cao, kim loại trên bề mặt nóng lên đột ngột. Điều này tạo ra một sóng xung kích chạy qua vật mẫu. Sóng xung kích nén vật liệu bên trong và làm nóng lá kim loại. Trong vài nano giây, các điều kiện phát sinh trên mẫu vật giống như bên trong một hành tinh hoặc trong vỏ của một ngôi sao. Khoảnh khắc thời gian nhỏ bé này đủ để nghiên cứu hiện tượng này bằng các kỹ thuật đo lường đặc biệt, chẳng hạn như các tia X cực mạnh của cơ sở XFEL châu Âu tại Schenefeld gần Hamburg, Đức.

Những tiến bộ trong các kỹ thuật đo lường tia X

Cơ sở tạo tia X mạnh nhất châu Âu, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) đứng đầu một liên minh quốc tế có tên là HIBEF chuyên thực hiện các tia đặc biệt. Liên minh này vận hành một tia laser tại trạm thử nghiệm Mật độ năng lượng cao (HED-HIBEF), tạo ra các xung cực ngắn không có năng lượng đặc biệt cao – chỉ khoảng một jun (đơn vị đo năng lượng). Tuy nhiên, ở 30 femto giây (1 fento giây bằng 1 phần 1 triệu tỷ giây), chúng quá ngắn đến mức đẩy được công suất đạt 100 terawatt. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng tia laser này tại HED-HIBEF để bắn vào một sợi dây đồng mỏng, chỉ dày 25 micromet

Tiến sĩ Alejandro Laso Garcia, tác giả chính của bài báo giải thích: “Sau đó, chúng tôi có thể sử dụng các tia X mạnh từ XFEL của Châu Âu để quan sát những gì đang diễn ra bên trong sợi dây. Sự kết hợp giữa tia laser xung ngắn và tia laser tia X này là duy nhất trên thế giới. Chỉ nhờ vào chất lượng và độ nhạy cao của chùm tia X mà chúng tôi mới có thể quan sát được hiệu ứng bất ngờ này.”

Sóng xung kích và trạng thái mật độ cao

Trong một số loạt phép đo, các nhà khoa học đã thay đổi khoảng thời gian một cách có hệ thống giữa tác động của tia laser và tia X chiếu qua. Điều này giúp có thể ghi lại một "phim X-quang" chi tiết về sự kiện. Tiến sĩ Toma Toncian, người đứng đầu HIBEF giải thích: "Đầu tiên, xung laser tương tác với dây và tạo ra sóng xung kích cục bộ đi qua dây như một vụ nổ và cuối cùng phá hủy nó. Nhưng trước đó, một số electron năng lượng cao được tạo ra khi tia laser chiếu vào sẽ chạy dọc theo bề mặt của dây".

Những electron năng lượng cao này làm nóng bề mặt của dây một cách nhanh chóng và tạo ra thêm sóng xung kích. Sau đó, chúng lần lượt chạy từ mọi phía đến tâm của dây. Trong một khoảnh khắc ngắn, tất cả các sóng xung kích va chạm ở đó và tạo ra áp suất và nhiệt độ cực cao.

Các phép đo cho thấy mật độ đồng ở giữa dây cao hơn gấp tám đến chín lần so với đồng lạnh "bình thường". Giáo sư Thomas Cowan, giám đốc Viện Vật lý Bức xạ HZDR và ​​là người khởi xướng liên minh HIBEF cho biết: "Các mô phỏng máy tính của chúng tôi cho thấy rằng chúng tôi đã đạt đến áp suất 800 megabar. Điều đó tương ứng với 800 triệu lần áp suất khí quyển và 200 lần áp suất bên trong Trái đất. Nhiệt độ đạt được cũng rất lớn theo tiêu chuẩn trên Trái đất khi đạt 100.000 độ C.

Các ứng dụng trong tương lai về phản ứng tổng hợp hạt nhân và vật lý thiên văn

Đây là những điều kiện gần giống với điều kiện trong vành nhật hoa của một ngôi sao lùn trắng. Laso Garcia nhấn mạnh: “Phương pháp của chúng tôi cũng có thể được sử dụng để đạt được các điều kiện giống như bên trong các hành tinh khí khổng lồ”. Điều này không chỉ áp dụng cho những hành tinh khổng lồ trong Hệ Mặt trời như sao Mộc mà còn cho một số lượng lớn các ngoại hành tinh xa xôi đã được phát hiện trong vài năm qua. Nhóm nghiên cứu hiện cũng đã hướng mục tiêu đến các dây được làm bằng các vật liệu khác, chẳng hạn như sắt và nhựa. Toncian nói: “Nhựa chủ yếu được tạo thành từ hydro và carbon. Và cả hai nguyên tố này đều có trong các ngôi sao và vành nhật hoa của chúng”.

Phương pháp đo lường mới không chỉ hữu ích cho vật lý thiên văn mà còn cho một lĩnh vực nghiên cứu khác. Ulf Zastrau, người đứng đầu nhóm HED tại European XFEL, cho biết: “Thí nghiệm thể hiện một cách ấn tượng cách chúng tôi có thể tạo ra mật độ và nhiệt độ rất cao trong nhiều loại vật liệu khác nhau. Điều này sẽ giúp nghiên cứu về phản ứng tổng hợp có một bước tiến quan trọng hơn nữa”. Một số nhóm nghiên cứu và công ty khởi nghiệp trên khắp thế giới hiện đang nghiên cứu một nhà máy điện tổng hợp dựa trên tia laser hiệu suất cao.

Nguyên lý của nhà máy điện kiểu này là: Dùng các tia laser mạnh chiếu vào một viên nhiên liệu làm từ hydro đông lạnh từ mọi phía và đốt cháy nó. Khi đó, năng lượng thoát ra nhiều hơn năng lượng đưa vào.

Cowan mô tả về các thí nghiệm trong tương lai rằng: “Với phương pháp của chúng tôi, ta có thể quan sát chi tiết những gì xảy ra bên trong viên nhiên liệu khi nó bị các xung laser chiếu vào. Chúng tôi hy vọng rằng phương pháp của mình có thể có tác động rất lớn đến nghiên cứu cơ bản trong lĩnh vực này”.