Tendencias21

Imitan en laboratorio las condiciones extremas del universo

Investigadores del acelerador de partículas SLAC, de EE.UU., han realizado tres experimentos que simulan las condiciones extremas del universo. En concreto, han imitado el efecto del impacto de meteoritos sobre el grafito, que produce una forma muy dura y rara de diamante; la transformación de hidrógeno en metal que se produce en los planetas gigantes gaseosos; y la aceleración extrema de partículas producida por un fenómeno denominado ‘reconexión magnética’.

Imitan en laboratorio las condiciones extremas del universo

Las condiciones en el Universo pueden ser bastante extremas: choques violentos, reacciones nucleares, explosiones gigantescas. Pero, ¿cómo se desarrollan exactamente estos procesos? ¿Qué es lo que nos dicen sobre el universo? ¿Y se podría aprovechar su potencia para el beneficio de la humanidad?

Para averiguarlo, investigadores del Acelerador SLAC estadounidense, en California, realizan experimentos y simulaciones por ordenador sofisticadas que recrean violentas condiciones cósmicas a pequeña escala en el laboratorio.

«El campo de la astrofísica de laboratorio está creciendo muy rápidamente, alimentado por una serie de avances tecnológicos», dice Siegfried Glenzer, de la División de Ciencia de Alta Densidad de Energía de SLAC, en la nota de prensa de éste. «Ahora tenemos láseres de alta potencia para crear estados extremos de la materia, fuentes de rayos X de última generación para el análisis de estos estados a nivel atómico, y superordenadores de alto rendimiento para ejecutar simulaciones complejas que guían y ayudan a explicar nuestros experimentos. Con sus capacidades sobresalientes en estas áreas, SLAC es un lugar especialmente fértil para este tipo de investigación».

Tres estudios recientes ejemplifican este enfoque, arrojando luz sobre los impactos de meteoritos, los núcleos de los planetas gigantes y aceleradores de partículas cósmicas un millón de veces más potentes que el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, del CERN), la pista de carreras de partículas más grande de la Tierra.

Meteoritos

La alta presión puede convertir una forma suave de carbono -el grafito, utilizado como mina de lápices- en una forma extremadamente dura el diamante. ¿Puede suceder lo mismo cuando un meteoro impacta con el grafito del suelo? Los científicos han predicho que sí, y que estos impactos, de hecho, podrían ser lo suficientemente potentes como para producir una forma de diamante, llamado lonsdaleíta, que es incluso más dura que el diamante normal.

«La existencia de lonsdaleíta se ha discutido, pero ahora hemos encontrado evidencia convincente», dice Glenzer, co-investigador principal de un estudio publicado en Nature Communications.

El equipo calentó una superficie de grafito con un potente pulso de láser óptico que desencadenó una onda de choque dentro de la muestra y la comprimió rápidamente. Aplicando rayos X brillantes y ultrarrápidos a través de la muestra, los investigadores fueron capaces de ver cómo el choque cambiaba la estructura atómica del grafito.

Planetas gigantes

Un segundo estudio, publicado también en Nature Communications, observó otra transformación peculiar que podría ocurrir dentro de los planetas gaseosos gigantes como Júpiter, cuyo interior está compuesto en gran parte de hidrógeno líquido: A alta presión y temperatura, se cree que este material pasa de su estado «normal», de aislante eléctrico, a uno metálico, de conducción.

«La comprensión de este proceso proporciona nuevos detalles sobre la formación de planetas y de la evolución del sistema solar», dice Glenzer, que fue también co-investigador principal de este estudio. «A pesar de que la transición ya había sido predicho en la década de 1930, nunca hemos tenido una ventana directa a los procesos atómicos.»

Es decir, no hasta que Glenzer y sus colegas científicos no realizaron un experimento en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), donde comprimieron y calentaron rápidamente una muestra de deuterio líquido, una forma pesada de hidrógeno, y crearon un estallido de rayos X que demostró que se habían producido cambios estructurales en la muestra.

El equipo vio que por encima de una presión de 250.000 atmósferas y una temperatura de 3.870 grados centígrados, el deuterio cambiaba de hecho de ser un fluido neutro y aislante a uno ionizado y metálico.

«Las simulaciones por ordenador sugieren que la transición coincide con la separación de dos átomos normalmente unidos en moléculas de deuterio», dice el autor principal Paul Davis, que era estudiante de posgrado en la Universidad de California en Berkeley y en LLNL en el momento del estudio. «Parece que a medida que la presión y la temperatura de la onda de choque inducida por láser divide las moléculas, sus electrones se sueltan y son capaces de conducir la electricidad.»

El estudio también podría ayudar a la investigación sobre el uso de deuterio como combustible nuclear para las reacciones de fusión que replican procesos análogos a los del interior del Sol y otras estrellas.

Acelerador cósmico

En un tercer ejemplo del universo extremo, los aceleradores de partículas cósmicas tremendamente -cerca de los agujeros negros supermasivos, por ejemplo- impulsan corrientes de gas ionizado, llamado plasma, a cientos de miles de años luz, en el espacio. La energía almacenada en estas corrientes y en sus campos electromagnéticos se puede convertir en unas pocas partículas extremadamente energéticas, que producen muy breves pero intensos estallidos de rayos gamma que se pueden detectar en la Tierra.

Los científicos quieren saber cómo funcionan estos impulsores de energía, ya que ayudaría a entender mejor el universo. También les podría dar nuevas ideas para construir mejores aceleradores de partículas.

Los investigadores creen que una de las principales fuerzas impulsoras de los aceleradores cósmicos podría ser la «reconexión magnética», un proceso en el que las líneas del campo magnético de los plasmas se rompen y se vuelven a conectar de una manera diferente, liberando energía magnética.

«La reconexión magnética se había observado ya en el laboratorio, por ejemplo, en experimentos con dos plasmas en colisión que se crearon con láseres de alta potencia», dice Federico Fiúza, investigador de SLAC e investigador principal de un estudio teórico publicado en Physical Review Letters. «Sin embargo, ninguno de estos experimentos de láser han producido una aceleración de partículas no térmica: una aceleración no sólo relacionada con el calentamiento del plasma. Sin embargo, nuestro trabajo demuestra que con el diseño correcto, los experimentos actuales deben ser capaces de verlo».

Su equipo llevó a cabo una serie de simulaciones por ordenador que predicen cómo se comportarían las partículas de plasma en tales experimentos. Los cálculos más exigentes, con cerca de 100 mil millones de partículas, requirieron más de un millón de horas de CPU y más de un terabyte de memoria del superordenador Mira del Argonne National Laboratory (Illinois).

«Determinamos los parámetros clave para los detectores requeridos», dice el autor principal del estudio, Samuel Totorica, estudiante de doctorado en el grupo de Tom Abel de la Universidad Stanford y en SLAC. «Nuestros resultados son una receta para el diseño de experimentos futuros que quieran estudiar cómo ganan energía las partículas a través de la reconexión magnética».

Referencias bibliográficas:

D. Kraus, A. Ravasio, M. Gauthier, D. O. Gericke, J. Vorberger, S. Frydrych, J. Helfrich, L. B. Fletcher, G. Schaumann, B. Nagler, B. Barbrel, B. Bachmann, E. J. Gamboa, S. Göde, E. Granados, G. Gregori, H. J. Lee, P. Neumayer, W. Schumaker, T. Döppner, R. W. Falcone, S. H. Glenzer, M. Roth: Nanosecond formation of diamond and lonsdaleite by shock compression of graphite. Nature Communications (2016). DOI: 10.1038/ncomms10970.

P. Davis, T. Döppner, J. R. Rygg, C. Fortmann, L. Divol, A. Pak, L. Fletcher, A. Becker, B. Holst, P. Sperling, R. Redmer, M. P. Desjarlais, P. Celliers, G. W. Collins, O. L. Landen, R. W. Falcone, S. H. Glenzer: X-ray scattering measurements of dissociation-induced metallization of dynamically compressed deuterium. Nature Communications (2016). DOI: 10.1038/ncomms11189.

Samuel R. Totorica, Tom Abel y Frederico Fiuza: Nonthermal Electron Energization from Magnetic Reconnection in Laser-Driven Plasmas. Physical Review Letters (2016). DOI:http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.095003.

RedacciónT21

Hacer un comentario

RSS Lo último de Tendencias21

  • Revelan el origen de la falla geológica de Seattle, una de las más peligrosas del mundo 15 febrero, 2024
    Los datos magnéticos sugieren que la falla de Seattle, en Estados Unidos, se formó hace 55 millones de años, cuando la mitad sur de una cadena de islas volcánicas en subducción se amontonó sobre el continente y se separó de otra parte de la estructura, "desgarrando" el borde de América del Norte.
    Pablo Javier Piacente
  • Gigantescos "huevos espaciales" podrían ayudarnos a descubrir civilizaciones extraterrestres 15 febrero, 2024
    Un elipsoide SETI es un enfoque geométrico que identifica una región del espacio con forma de huevo, dentro de la cual cualquier civilización inteligente habría logrado observar un evento astronómico significativo, como por ejemplo una supernova, basándose en el tiempo que tarda la luz en viajar a través del espacio. Ahora, un nuevo análisis muestra […]
    Pablo Javier Piacente
  • Nuevo hito en la tecnología cuántica 15 febrero, 2024
    Investigadores alemanes han logrado un avance en la tecnología cuántica al visualizar las posiciones tridimensionales de átomos individuales en un cristal de diamante. Este logro allana el camino para la visualización de moléculas individuales con una precisión atómica, lo que podría revolucionar la investigación y el diseño de materiales y fármacos. Con un poco de […]
    ST/T21
  • ¿Qué pasaría si viajáramos a la velocidad de la luz? 15 febrero, 2024
    La física dice que es imposible, pero soñamos con la posibilidad de viajar a la velocidad de la luz. En ese supuesto, el tiempo se dilataría y se alteraría nuestro campo de visión, pero la fuerza de la aceleración nos destruiría. Sin ayuda alguna, no podemos ir a más de 45 kilómetros por hora.
    Redacción T21
  • Una extraña y antigua megaestructura acecha bajo el mar Báltico 14 febrero, 2024
    En la bahía alemana de Mecklenburg, a 21 metros de profundidad, los científicos han encontrado una antigua megaestructura que data de la Edad de Piedra, concretamente de hace más de 10.000 años. La estructura, que abarca una longitud de casi un kilómetro y está compuesta por piedras de distintos tamaños, desafía toda explicación natural: los […]
    Pablo Javier Piacente
  • Detectan por primera vez materia oscura en un cúmulo galáctico 14 febrero, 2024
    La materia oscura identificada, detectada indirectamente en un cúmulo conformado por miles de galaxias, podría ayudar a los científicos a comprobar la existencia de una estructura a gran escala que se extiende por todo el Universo: de esta forma, un "andamiaje" de materia oscura atravesaría todo el cosmos y sería el sostén de innumerables galaxias, […]
    Pablo Javier Piacente
  • El primer implante cerebral de Neuralink en un humano está rodeado de misterio 14 febrero, 2024
    Existen dudas sobre si el primer implante cerebral a un humano, anunciado por Elon Musk el 29 de enero, se ha producido realmente, ya que todo está rodeado de falta de transparencia, ausencia de certificación científica, escasos detalles sobre su tecnología, sus métodos y sus resultados.
    Eduardo Martínez de la Fe
  • Descubren un fármaco de animación suspendida que imita la hibernación 14 febrero, 2024
    Descubren un fármaco de "animación suspendida" que imita la hibernación y podría mejorar el trasplante de órganos, asegurar la supervivencia ante lesiones traumáticas y facilitar los viajes espaciales de larga duración.
    Redacción T21
  • La muerte los llama y ellos se juntan 13 febrero, 2024
    Un experimento desarrollado en "granjas de cadáveres" permitió comprobar que la descomposición de cuerpos humanos y de otras especies atrae siempre a las mismas variedades de microorganismos y hongos, sin importar el clima, la estación del año o la ubicación en el globo. Un mejor conocimiento de esta comunidad "universal" de descomponedores permitirá importantes avances […]
    Pablo Javier Piacente
  • Una corriente oceánica fundamental para el equilibrio climático podría anticipar su colapso 13 febrero, 2024
    Los científicos han descubierto una señal de advertencia clave antes que una corriente crucial del Atlántico colapse y sumerja al hemisferio norte en un verdadero caos climático: la Circulación de Vuelco Meridional del Atlántico (AMOC) genera una liberación de calor que ayuda a mantener a Europa, y también en parte a América del Norte, más […]
    Pablo Javier Piacente