Die Fusionstechnologie hat versehentlich die Astronomie revolutioniert

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Die Fusionstechnologie hat versehentlich die Astronomie revolutioniert

Schade um den armen Astronomen. Biologen können Beispiele für Leben in ihren Händen halten. Geologen können Probenschränke mit Steinen füllen. Sogar Physiker können subatomare Teilchen in Labors untersuchen, die hier auf der Erde gebaut wurden. Aber in ihrer jahrtausendelangen Geschichte war die Astronomie immer eine Wissenschaft der Trennung. Kein Astronom hat je an der Küste eines fremden Exoplaneten gestanden, der einen fernen Stern umkreist, oder einen interstellaren Nebel aus der Nähe betrachtet. Abgesehen von ein paar eingefangenen Lichtwellen, die die große Leere durchqueren, hatten Astronomen nie einen intimen Zugang zu den Umgebungen, die ihre Leidenschaft anspornen.

Das heißt, bis vor kurzem. An der Wende zum 21. Jahrhundert eröffneten Astrophysiker eine neue und unerwartete Ära für sich selbst: Laborexperimente im großen Maßstab. Hochleistungsmaschinen, insbesondere einige sehr große Laser, haben Möglichkeiten geschaffen, den Kosmos neu zu erschaffen, was es Wissenschaftlern wie mir ermöglicht, einige der dramatischsten Umgebungen des Universums in geschlossenen, kontrollierten Umgebungen zu erforschen. Forscher haben gelernt, Mini-Supernovae in ihren Labors zur Explosion zu bringen, Umgebungen um neugeborene Sterne zu reproduzieren und sogar die Herzen massiver und potenziell bewohnbarer Exoplaneten zu untersuchen.

Wie wir hierher gekommen sind, ist eine der großen Geschichten von Wissenschaft und Synergie. Das Aufkommen dieser neuen laborbasierten Astrophysik im großen Maßstab war eine unerwartete Nebenwirkung einer viel umfassenderen, belasteteren und jetzt ziemlich aktuellen wissenschaftlichen Reise: der Suche nach Kernfusion. Während die Menschheit daran gearbeitet hat, die Energie der Sterne einzufangen, haben wir auch einen Weg gefunden, die Sterne auf die Erde zu bringen.

Letzten Monat, unter großer Fanfare, Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory angekündigt Sie hatten einen Meilenstein der Fusion überschritten. Zum ersten Mal kam aus einem Fusionsexperiment mehr Energie heraus, als hineingesteckt wurde. Obwohl die Welt wahrscheinlich noch Jahrzehnte von einem funktionierenden Fusionsgenerator entfernt ist, war das Experiment ein wissenschaftlicher Durchbruch und brachte uns einen Schritt näher an die Sauberkeit und im Wesentlichen unbegrenzte Energie durch sich selbst erhaltende Fusionsreaktionen. Um dies zu erreichen, setzten die Forscher auf Laser, um einen Ort nachzubilden, an dem bereits thermonukleare Fusionsreaktionen stattfinden: den Kern der Sonne. Sie fokussierten die Laser auf winzige Wasserstoffpellets und ahmten die außergewöhnlich hohen Temperaturen und Dichten der Sonne nach, um die Wasserstoffkerne in Helium zu pressen und Fusionsreaktionen auszulösen.

Stars geben ihre Geheimnisse nicht so leicht preis. Die verwendeten Laser sind fabrikgroße Geräte, die für ihre Arbeit eine enorme Kraft benötigen. Während des Baus dieser mehrstöckigen Lichtmaschinen erkannten die Wissenschaftler, dass sie nebenbei auch ein beispielloses Werkzeug zur Erforschung des Himmels bauten. Das Gebiet, das um diese Laser herum entstanden ist und als High Energy Density Laboratory Astrophysics oder HEDLA bezeichnet wird, hat Astronomen völlig neue Möglichkeiten eröffnet, ihr Handwerk auszuüben.

Die ernsthafte Arbeit begann in den frühen 2000er Jahren mit der Untersuchung eines der energiereichsten Ereignisse im Kosmos: Supernovae, die titanischen Explosionen, die das Leben massereicher Sterne beenden. Supernovae werden von mächtigen Schockwellen angetrieben, die sich im Kern eines Sterns entwickeln und sich dann nach außen ausbreiten und die äußeren Schichten des Sterns in den Weltraum blasen. Die schweren Elemente, die tief in einem Stern enthalten sind, sind der Schlüssel zum Leben, das sich schließlich irgendwo bilden kann. Daher war eine seit langem bestehende Frage für Astronomen, ob die Explosion einer Supernova die Kernelemente eines Sterns mit seinen leichteren Oberflächenelementen vermischt und durch diese Vermischung das Wesentliche zerstreut – um schwerere Elemente im ganzen Kosmos zum Leben zu erwecken. In Zusammenarbeit haben Astronomen und Fusionsplasmaphysiker die Schichten eines Sterns im Miniaturformat mit dünnen Plastikstreifen und weniger dichtem, schaumartigem Material nachgebildet. Dann haben sie die Mini-Stern-Sandwiches mit den großen Fusionslasern gezappt. Es bildeten sich gewaltige Schockwellen, die durch die Ziele rissen und sie wie nasse Pappe knickten. Beim Mischen zwischen den Schichten stellte sich heraus, was echt war. Die Experimente bestätigten einen großen Teil der Karte der Astronomen, wie Elemente durch die Galaxie zirkulieren.

Dies war eine aufregende Richtung für die Astronomie. Astronomen konnten jetzt nicht nur in einem Labor an Sternmaterial basteln; sie könnten es immer und immer wieder tun. Indem sie eine Variable nach der anderen optimierten, konnten sie echte erdgebundene Experimente durchführen, Hypothesen testen und beobachten, wie sich die Ergebnisse vor ihren Augen abspielten. Bald entwickelten sie experimentelle Plattformen, um ein breites Spektrum astronomischer Umgebungen zu untersuchen, darunter die wirbelnden Gasscheiben, die die Sternentstehung begleiten, und die Kollision riesiger interstellarer Wolken. HEDLA hat noch Grenzen; nicht alle astrophysikalischen Phänomene können im Labor untersucht werden. Starke Gravitationseffekte können beispielsweise nicht eingefangen werden, weil sie die Masse eines Sterns benötigen würden, und dafür zahlt keine Förderagentur. Der Trick für Astrophysiker bestand darin, eine Überschneidung zwischen den Fragen, die sie beantworten wollen, und den extremen Bedingungen zu finden, die riesige Fusionsmaschinen schaffen können.

Ein Sweetspot im HEDLA-Venn-Diagramm liegt in der Suche nach fernen Welten, in denen außerirdisches Leben entstehen könnte. In den letzten Jahrzehnten hat eine „Exoplaneten-Revolution“ gezeigt, dass fast jeder Stern am Himmel seine eigene Familie von Welten beherbergt. Da Leben mit ziemlicher Sicherheit einen Planeten braucht, um zu entstehen, hat das Verständnis der unterschiedlichen Bedingungen auf all diesen fremden Welten die höchste Priorität auf der To-Do-Liste der Astronomen. Bisher sind viele der Exoplaneten, die wir entdeckt haben, seltsame Bestien, die ganz anders aussehen als die acht Welten, die unsere Sonne umkreisen. Unter diesen sind vor allem die Supererden, Planeten, die das 2- bis 10-fache der Masse unserer Erde wiegen. Wir haben diese Art von Planeten nicht in unserem Sonnensystem, und doch erweisen sie sich als die am häufigsten vorkommende Welt im Universum. Was für ein Planet ist also eine Supererde? Ist diese Fülle generischer Welten es wert, nach außerirdischem Leben zu suchen?

Die Bedingungen auf der Oberfläche eines Planeten, auf der sich Leben bildet, hängen stark davon ab, was tief im Inneren passiert. Tausende von Meilen in der Tiefe ist der Druck so hoch, dass Felsen zusammengedrückt werden, bis sie an einem heißen Tag wie Asphalt austreten und Eisen sich verflüssigt. Unter bestimmten Umständen treiben die Wirbelbewegungen dieser geschmolzenen Suppe planetenweite schützende Magnetfelder an, die das Leben unterstützen. Hier kommen die Hochleistungslaser von HEDLA ins Spiel: Sie erweisen sich als ein einzigartig perfektes Werkzeug, um Drücke tief im Inneren von Planeten zu untersuchen. Indem die Laser verwendet werden, um Gesteins- und Metallproben auf diese tiefen planetaren Drücke zu pressen, können Forscher sehen, wie sich die Proben verhalten, ihren Strömungswiderstand (wichtig für die Plattentektonik) oder ihre Fähigkeit, Elektrizität zu leiten (wichtig für die Erzeugung von Magnetfeldern) entdecken. .

Hier komme ich auch ins Spiel. Die Forschung, die meine Kollegen und ich durchführen, ist Teil eines mehrjährigen, institutionenübergreifenden Vorstoßes, der von der National Science Foundation finanziert wird, um HEDLA zu einem Hauptwerkzeug für das Verständnis planetarischer Bedingungen zu machen, einschließlich derjenigen in Supererden. Ein kürzlich im Rahmen dieser Initiative durchgeführtes Experiment verwendete tatsächlich dieselbe riesige 192-Laserstrahl-Anlage im kalifornischen Lawrence Livermore National Laboratory, wo die jüngste Fusion stattfand – der große Vater aller großen Laser. Die Forscher wollten verstehen, wie Eisen auf den Druck der Supererde reagieren würde, da das Wirbeln von flüssigem Eisen in Planetenkernen der Schlüssel zur Erzeugung planetarer Magnetfelder ist. Bleibt Eisen in einer Supererde flüssig oder „friert“ es mit der Zeit ein und verfestigt sich zu einem Kristallgitter, das alle Chancen für ein Magnetfeld zunichte machen würde? Die Studie trieb das Eisen auf einen Druck, der dem 10-Millionen-fachen des Erdoberflächendrucks entspricht, und verfolgte genau, wann Eisen vom flüssigen in den festen Zustand überging. Anhand dieser Daten fand das Team heraus, dass Supererden ihre Kerne lange genug flüssig halten können, damit Magnetfelder eine Milliarde Jahre oder mehr planetarische Abschirmung bieten können. Wenn sich diese Ergebnisse bestätigen, haben diese großen Planeten möglicherweise die richtigen Bedingungen, um nicht nur Leben entstehen zu lassen, sondern auch, damit es sich entwickeln und gedeihen kann.

Experimente wie dieses zeigen, wie weit das neue Gebiet der Laborastrophysik in nur wenigen Jahrzehnten gekommen ist. Es ist eine Geschichte der Konvergenz und sogar des Erwachsenwerdens. Vor fast einem Jahrhundert entdeckten Astrophysiker die Physik thermonuklearer Reaktionen in den Sternen. Ihre Bemühungen zielten nicht darauf ab, eines Tages die Städte der Menschheit mit Strom zu versorgen, sondern darauf, eine uralte kosmische Frage zu beantworten: Was bringt die Sterne zum Leuchten? Erst nach dem Aufkommen der Atomwaffen des Kalten Krieges begannen einige Wissenschaftler, die Möglichkeiten einer friedlichen Fusionskraft zu erforschen. Jetzt, in dem Prozess, der reichlich vorhandenen, sauberen Energie ein wenig näher zu kommen, haben wir unsere eigene Trennung von der Macht der Sterne und des Kosmos als Ganzes eingeengt. Das Universum liegt mehr denn je in unserer Hand. Und wenn wir in unseren Labors auch nur einen Bruchteil seiner Kapazitäten erfassen, werden wir daran erinnert, wie riesig und großartig es schon immer war.