Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze Číslo 6 (vyšlo 12. února), ročník 8 (2010) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

6/2010

Honba za vysokými tlaky – dokážeme připravit látku, jaká je v nitru obřích planet?

Petr Kulhánek

V nitru ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. je tlak až 360 GPa, v nitru JupiteruJupiter – největší a nejhmotnější (1,9×10²⁷ kg) planeta sluneční soustavy má plynokapalný charakter a chemické složení podobné Slunci. Se svými mnoha měsíci se Jupiter podobá jakési „sluneční soustavě“ v malém. Jupiter má, stejně jako všechny obří planety, soustavu prstenců. Rychlá rotace Jupiteru (s periodou 10 hodin) způsobuje vydouvání rovníkových vrstev a vznik pestře zbarvených pásů. Charakteristickým útvarem Jupiterovy atmosféry je Velká rudá skvrna, která je pozorována po několik století. Atmosféra obsahuje kromě vodíku a helia také metan, amoniak a vodní páry. Teplota pod oblaky směrem ke středu roste. Na vrcholcích mraků je −160 °C, o 60 km hlouběji je přibližně stejná teplota jako na Zemi. Proudy tekoucí v nitru (v kovovém vodíku) vytvářejí kolem Jupiteru silné dipólové magnetické pole. 7 000 GPa a v nitru obřích exoplanetExoplaneta – extrasolární planeta, planeta obíhající okolo jiné hvězdy, než je naše Slunce. Jejich existence byla předpovězena dlouhou dobu, první exoplaneta byla ale objevena až v roce 1995. Na počátku roku 2013 bylo objeveno již 854 exoplanet. Většinou jde o velká tělesa s hmotností a velikostí jen o málo menší, než mají hnědí trpaslíci. a hnědých trpaslíkůHnědý trpaslík – hvězda s tak malou hmotností (13÷80 M_J), že teplota v nitru nikdy nedosáhne bodu vzplanutí dostatečně energetických termojaderných reakcí (alespoň 8×10⁶ K). Dalšímu stlačování vlivem gravitace a tím i nárůstu teploty zabrání elektronová degenerace. Od planet se liší tím, že vzniká kontrakcí zárodečné mlhoviny (planeta vzniká akrecí v periferní oblasti) a emituje po dobu několika miliard let viditelné světlo (planeta září v IR). až desítky tisíc GPa. Je v lidských silách připravit látku za tak extrémních podmínek? Podle teorie by se vodíkVodík – Hydrogenium, je nejlehčí a nejjednodušší plynný chemický prvek, tvořící převážnou část hmoty ve vesmíru. Má široké praktické využití jako zdroj energie, redukční činidlo v chemické syntéze nebo metalurgie nebo náplň balonů a vzducholodí. Vodík objevil roku 1766 Henry Cavendish. při tlacích vyšších než 25 GPa měl za pokojové teploty stát kovem. V žádném experimentu se ale kovový vodík zatím připravit nepodařilo. Přitom by mělo jít o základní materiál obřích planet a malých hvězd. Extrémně silné magnetické pole Jupiteru domněnku kovového vodíku v jeho nitru nepřímo potvrzuje. Nejvyšší tlaky dosažitelné v laboratořích byly donedávna „jen“ desítky, maximálně stovky GPa. Tyto tlaky se dosahovaly na miniaturních vzorcích uložených mezi dvěma malými diamantovýmiDiamant – forma uhlíku s diamantovou krystalovou mříží. Sousední vazby (tzv. σ vazby) svírají úhel 109°28′ a jejich délka je 0,154 nm.  Za normálních podmínek je teplota tání 3 500 °C, hustota 3,51 g/cm3 a index lomu n = 2,417, je-li dotován kyslíkovými ionty, stane se polovodičem typu n. Animace mřížky (avi, 2.6 MB) kovadlinami. Jde o jakýsi svěrák, jehož čelisti tvoří velmi malé hroty dvou diamantových krystalů. Čím menší čelisti, tím vyšší tlak, protože tlak je roven působící síle dělené plochou. Stejný princip jistě znáte z běžného života: pokud vám dáma šlápne na nohu jehlovým podpatkem, zapůsobí na vás podstatně více, než když vás přišlápne jen teniskou.

V roce 2007 se tato technika získávání vysokých tlaků začala kombinovat s rázovou vlnou získanou laserovým pulzem. V roce 2009 byla publikována série experimentů, ve kterých se podařilo dosáhnout extrémních tlaků jen za pomoci laserového pulzu. Běžné prvky změnily své vlastnosti natolik, že bychom Mendělejevovu tabulku prvků vůbec nepoznali. Například hliníkHliník – Aluminium, velmi lehký kov bělavě šedé barvy, velmi dobrý vodič elektrického proudu, široce používaný v elektrotechnice a ve formě slitin v leteckém průmyslu a mnoha dalších aplikacích. Hliník byl objeven roku 1825 dánským fyzikem Hansem Christianem Oerstedem., který je za pokojové teploty neprůhledným kovem se za vysokého tlaku stal průhledným izolantem. Pojďme se na experimenty posledních let, které doslova otevírají cestu do nitra obřích planet, podívat blíže.

Univerzita v Berkeley, kovadlina a laser

V roce 2007 publikoval profesor Raymond Jeanloz se svými kolegy z UCBUCB – University of California at Berkeley. Požadavky na vznik Kalifornské univerzity pocházejí již z roku 1849, vlastní univerzita byla založena v roce 1866, nejznámější část (UCLA) sídlí v Los Angeles. Berkeleyská část vznikla v roce 1873. revoluční metodu získávání extrémních tlaků. Po čtvrt století skupina vyvíjela diamantové kovadliny, ve kterých bylo možné stlačit vzorky maximálně na 500 GPa (5 milionů atmosfér), což je jen o něco více, než činí tlak v jádru ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru.. V těchto experimentech ukázali, že za tlaku přes 10 GPa v zemském plášti dominuje minerál perovskit, který za nízkých tlaků neexistuje. Jeanloz ve svých experimentech také prokázal, že na hranici jádra a pláště dochází k přeměně pevného pláště v tekuté kovové jádro.

Diamantová kovadlina. Zdroj: Argonne Laboratory.

V roce 2007 začali v UCBUCB – University of California at Berkeley. Požadavky na vznik Kalifornské univerzity pocházejí již z roku 1849, vlastní univerzita byla založena v roce 1866, nejznámější část (UCLA) sídlí v Los Angeles. Berkeleyská část vznikla v roce 1873. kombinovat metodu diamantové kovadliny s laserovým pulzem. Využili ultrafialový laser Omega Laboratoře laserové energetiky v New Yorku. Laboratoř je součástí Univerzity v Rochesteru a její laser Omega má energii jednoho pulzu 30 kJ. Pulz namířili na jednu z diamantových kovadlin, která se odpařila za vzniku explozivní rázové vlny působící na vzorek mezi kovadlinami. Hned při prvních experimentech získali na dvě nanosekundy tlak 1 000 GPa (1 TPa) a lze očekávat, že kombinací obou metod bude možné získávat i výrazně vyšší tlaky a hustoty s možností regulace teploty vzorku. Cesta k vyšším tlakům v laboratoři tak byla otevřena.

Laser Omega zamířený na diamantovou kovadlinu. Zdroj. UCB.

Průhledný sodík v MPI

SodíkSodík – Natrium, nejběžnější prvek ze skupiny alkalických kovů, hojně zastoupený v zemské kůře, mořské vodě i živých organizmech. Sodík je měkký, lehký a stříbrolesklý kov, který lze krájet nožem. Volný kov se poprvé podařilo připravit roku 1807 siru Humphry Davymu. je za normálních podmínek bělomodrým vysoce reaktivním kovem. Yanming Ma na čínské Univerzitě v JilinuJilin University – Univerzita v Jilinu, velká čínská univerzita, která byla založena v roce 1946. Univerzita se spojila s mnoha jinými univerzitami. Má přes 40 000 studentů a je pojmenována podle provincie Jilin. Na univerzitě je pět národních laboratoří, provoz sedmi dalších významných laboratoří je placen z rozpočtu ministerstva školství a jedenácti laboratoří z rozpočtu ostatních ministerstev. spočetl, že za vysokých tlaků by se alkalické kovy, jako sodík nebo lithium, měly stát průhlednými izolátory. Při tlaku 200 GPa dojde k pětinásobnému stlačení látky a elektronové obaly atomů sodíku se začnou prolínat. Elektrony z překrývajících se obalů jsou vytlačeny do děr mezi atomy a jejich shluky se začnou chovat jako záporné ionty. Měla by tak vzniknout velmi neobvyklá krystalická mříž ze sodíkových iontů a shluků vytlačených elektronů. Látka by se měla chovat jako iontová sloučenina nazývaná elektrid, která je nevodivá a průhledná.

Yanming Ma se spojil s profesorem Oganovem z americké Univerzity ve Stony BrookStony Brook University – Univerzita ve Stony Brook. Nachází se ve Spojených státech na Long Island a patří k jedné ze čtyř newyorských státních univerzit. Studuje zde přes 22 000 studentů. Univerzita byla založena v roce 1957. na Long Island, který je specialistou v teoretické krystalografii. Oganov potvrdil správnost výpočtů. Oba vědci poté kontaktovali experimentální skupinu v německém Institutu Maxe PlanckaMPI – Max Planck Institute, největší vědecký ústav v Německu s pobočkami v mnoha velkých městech. pro Chemii, kterou vedl Mikhail Eremets. Ten byl z počátku k předpovědi obou teoretiků skeptický, nicméně v laboratoři zahájili sérii experimentů s mikrometrovým vzorkem sodíku umístěným mezi dvěma diamantovými kovadlinami. Sodík se zvyšujícím se tlakem nejprve zčernal a při tlaku 200 GPa začal mít žlutavý nádech a skutečně se stal nevodivým a průhledným. Za pomoci ohybu RTG paprsků (ze zdroje APSAPS – Advanced Photon Source, zdroj RTG záření umístěný v Argonne Laboratory ve Spojených státech. z Argonne Laboratory, USA) byla určena krystalická struktura, která přesně odpovídala teoretickému výpočtu. Předpověď Maa a Oganova tak byla beze zbytku potvrzena. Za vysokých tlaků lze očekávat zcela nové fyzikální vlastnosti známých prvků. Objev byl publikován v roce 2009, v březnovém čísle časopisu Nature.

Experimenty s hliníkem v DESY

V německém středisku jaderného výzkumu DESYDESY – Deutsches Elektronen SYnchrotron, německé výzkumné centrum částicové fyziky s laboratořemi v Hamburku a Zeuthenu, které bylo založeno v roce 1959. K nejvýznamnějším zařízením patří urychlovač PETRA a laser na volných elektronech FLASH. mají k dispozici výkonný laser FLASHFLASH – Free-electron LASer in Hamburg, laser na volných elektronech vybudovaný v německém středisku jaderného výzkumu DESY v blízkosti Hamburgu. Urychlené elektrony jsou vychylovány v undulátoru a generují koherentní paprsek elektromagnetického záření, který je laditelný od UV po měkké RTG. Celé zařízení je dlouhé 260 metrů. Ve výstavbě je již další laser s názvem XFEL, který bude dlouhý 3 kilometry. (viz AB 18/2008). Jde o laser na volných elektronech. Svazek elektronů je urychlován v konvenčním lineárním urychlovači a poté prochází undulátoremUndulátor – struktura periodicky se střídajících magnetů, která se využívá k vybuzení synchrotronního záření prolétávajícího svazku nabitých částic. Trajektorie částic se vlivem střídajícího se pole zvlní a nabité částice proto vyzařují. Pro velkou amplitudu oscilací částic se zařízení nazývá wiggler. Původně se undulátorem nazýval zapisovací přístroj pro podmořskou telegrafii sestrojený Lauritzenem. Skládal se ze 4 vinutých elektromagnetů se střídající se orientací a dvou otočných obloukovitých magnetů na hřídeli. Elektrický proud procházející vinutými magnety vybudil pole, které otáčelo pohyblivými magnety a jejich pohyb byl přenášen na zapisovací zařízení. – segmentem se střídajícími se magnety, které vychylují elektronový svazek na jednu a vzápětí na druhou stranu. Elektrony svazku se pohybují po vlnovce a přitom září. Vzniká koherentní elektromagnetický pulz, jehož frekvence je laditelná od ultrafialového po měkké rentgenové záření. Celý laser FLASH je dlouhý 260 metrů. V současnosti se v DESY staví laser XFELXFEL – rentgenový laser, jehož stavba započala v roce 2008, se nachází v blízkosti německého Hamburku a bude mít délku 3,4 km. Půjde o laser na volných elektronech. Elektrony jsou nejprve urychleny v lineárním urychlovači pomocí soustavy rezonančních dutin. Poté shluky elektronů s vysokou energií přijdou do undulátoru. Jde o speciální magnetickou strukturu, ve které se periodicky střídá orientace magnetického pole. Elektrony se pohybují po vlnovité dráze a přitom vyzařují synchrotronní záření v rentgenovém oboru. Emitované rentgenové paprsky vytvoří extrémně intenzívní laserový záblesk koherentního a monochromatického záření., který bude dlouhý 3 kilometry (viz AB 18/2008).

Princip vzniku laserového paprsku v laserech na volných elektronech. Zdroj: DESY.

Část laseru FLASH. Zdroj: DESY.

Mezinárodní tým vědců (zahrnující i několik Čechů) připravil mimořádně zajímavý experiment: vědci poslali na malý kousek hliníkové fólie pulz měkkého rentgenového záření z laseru FLASHFLASH – Free-electron LASer in Hamburg, laser na volných elektronech vybudovaný v německém středisku jaderného výzkumu DESY v blízkosti Hamburgu. Urychlené elektrony jsou vychylovány v undulátoru a generují koherentní paprsek elektromagnetického záření, který je laditelný od UV po měkké RTG. Celé zařízení je dlouhé 260 metrů. Ve výstavbě je již další laser s názvem XFEL, který bude dlouhý 3 kilometry.. U laserových experimentů není většinou zřejmý dosažený tlak a zpravidla se uvádí výkon aplikovaný na jednotkovou plochu vzorku (plošný výkon). V popisovaném experimentu změnil aplikovaný plošný výkon 10¹⁶ W/cm² vzorek k nepoznání. Z každého atomu byly laserovým pulzem vytrženy vnější elektrony. Přitom byl foton měkkého rentgenového záření z laserového pulzu absorbován. V této fázi byl tedy vzorek pro pulz neprůhledný. Odtržení vnějších elektronů mělo za následek změnu kvantové struktury atomárního obalu. Vnější elektrony přestaly zeslabovat svým nábojem pole jádra a tato změna vedla k přesunu obsazených i volných hladin hlouběji do potenciálové jámy, tedy blíže k jádru. V takové „kompaktnější“ formaci již vnitřní elektrony nemohly pohltit fotony rentgenového pulzu. Uvolněné elektrony zformovaly kolem vzniklých iontů hliníku horká oblaka. Získaná energie zabránila těmto elektronům v okamžité rekombinaci, tedy opětovném obsazení uvolněných hladin. V tomto stavu již nebyl rentgenový pulz ničím absorbován a vzorek hliníku se stal na malou chvíli průhledným pro rentgenové záření. Tým připravil zcela nový stav hmoty, který ale netrval příliš dlouho. Energie soustředěná v horkém oblaku elektronů byla během několika nanosekund předána iontům a vzorek se rozprskl. Nicméně cesta k extrémním stavům hmoty, jež vzniknou při aplikaci gigantického laserového pulzu na malý vzorek látky, je schůdná. Objev byl publikován v roce 2009 zářijovém čísle časopisu Nature.

Závěr

Všechny popsané experimenty ukazují, že v laboratořích je možné dosáhnout extrémních stavů hmoty a není daleko doba, kdy bude možné vytvořit tlaky panující v nitru obřích planet. Nedávno byl uveden do provozu laser LCLS (Linac Coherent Light Source), který vznikl ze známého stanfordského lineárního urychlovače (má délku tři kilometry). Jde o laser na volných elektronech, ve kterém je laserový paprsek generován v undulátoruUndulátor – struktura periodicky se střídajících magnetů, která se využívá k vybuzení synchrotronního záření prolétávajícího svazku nabitých částic. Trajektorie částic se vlivem střídajícího se pole zvlní a nabité částice proto vyzařují. Pro velkou amplitudu oscilací částic se zařízení nazývá wiggler. Původně se undulátorem nazýval zapisovací přístroj pro podmořskou telegrafii sestrojený Lauritzenem. Skládal se ze 4 vinutých elektromagnetů se střídající se orientací a dvou otočných obloukovitých magnetů na hřídeli. Elektrický proud procházející vinutými magnety vybudil pole, které otáčelo pohyblivými magnety a jejich pohyb byl přenášen na zapisovací zařízení.. Na tomto rentgenovém zdroji bude možné dosáhnout ještě extrémnějších stavů hmoty než doposud. Představa výzkumu látky nacházející se v samém centru obřích exoplanet nebo menších hvězd se tak rychle přibližuje realitě. A nejde jen o obří lasery, existují i jiné možnosti. Pokud protéká plazmovým sloupcem elektrický proud, vzniká kolem magnetické pole, které sloupec stlačuje k ose. Vzniklý útvar se nazývá pinč (z anglického pinch – stisknout). Jde o jinou alternativu, jak získat extrémně husté a horké stavy hmoty, kterou se vydali vědci v další řadě vědeckých pracovišť. Popis takových aktivit ale přesahuje rámec tohoto článku.

Klip týdne: Laser na volných elektronech LCLS

Laser na volných elektronech LCLS. Na konci roku 2009 byl spuštěn ve Spojených státech nový laser na volných elektronech LCLS (Linac Coherent Light Source). Jako zdroj elektronů slouží dosavadní lineární urychlovač ve Stanfordu (USA), který má délku 3,2 kilometru. V animaci si můžete podrobně prohlédnout princip urychlování shluků elektronů na energii 12 GeV. Ty jsou pak vedeny do undulátoru, kde je řada magnetů vychyluje střídavě na jednu a na druhou stranu. Shluky elektronů se pohybují po vlnkovité dráze. Nabité částice, které mění svou rychlost (postačí směr), nutně září. Pro pochopení si představme, že se elektrony v shluku pohybují po sinusoidě podél undulátoru. Pokud se na ně díváme z konce této osy, nevidíme, že se pohybují směrem k nám, ale vidíme kmitat shluk nabitých částic. Nejen, že už nás nepřekvapí, že vyzařuje, ale je i jasné, proč musí být elektronový svazek rozdělený do shluků, separovaných podle rozložení indukce mezi magnety undulátoru: jednotlivé oscilátory – kmitající shluky elektronů – musí elektromagnetické pole ve směru podél osy zesilovat, nikoli zeslabovat. Díky velkému množství oscilátorů se pole v příčném směru v důsledku interference naopak zeslabuje. Shluky tak generují koherentní rentgenový paprsek. Za undulátorem jsou silným magnetickým polem elektrony odkloněny a vzniklý rentgenový laserový paprsek pokračuje do haly s experimenty. (wmv, 55 MB)

Literatura

Fórum – diskuze k tomuto bulletinu