Các nhà nghiên cứu tạo ra các plasma lạnh nhất trong vũ trụ chỉ tìm ra cách khiến chúng lạnh hơn - bằng cách làm nổ chúng bằng laser.
Các nhà khoa học đã làm lạnh plasma đến khoảng 50 phần nghìn độ trên độ không tuyệt đối, lạnh hơn khoảng 50 lần so với trong không gian sâu.
Plasma lạnh này có thể tiết lộ cách thức các plasma tương tự hoạt động tại trung tâm của các ngôi sao lùn trắng và sâu trong lõi của các hành tinh khí như người hàng xóm vũ trụ của chúng ta, Jupiter, các nhà nghiên cứu đã báo cáo trong một nghiên cứu mới.
Plasma là một loại khí, nhưng nó đủ khác để được công nhận là một trong bốn trạng thái cơ bản của vật chất (bên cạnh khí, lỏng và rắn). Trong plasma, một số lượng đáng kể các electron đã được tách ra khỏi các nguyên tử của chúng, tạo ra trạng thái nơi các electron tự do nén quanh các ion hoặc các nguyên tử có điện tích dương hoặc âm.
Nhiệt độ trong huyết tương xuất hiện tự nhiên thường rất cao; ví dụ, plasma trên bề mặt của mặt trời mọc ở nhiệt độ 10.800 độ F (6.000 độ C). Bằng cách làm lạnh plasma, các nhà khoa học có thể quan sát chi tiết hơn để hiểu rõ hơn về hành vi của nó trong các điều kiện khắc nghiệt, giống như những người hàng xóm khổng lồ khí đốt của chúng ta.
Lạnh hơn
Vậy tại sao sử dụng tia laser để giúp plasma lạnh ra?
Tác giả nghiên cứu Thomas Killian, giáo sư vật lý và thiên văn học tại Đại học Rice, Texas, nói: "Việc làm mát bằng laser lợi dụng thực tế là ánh sáng có động lượng". "Nếu tôi có một ion trong plasma và tôi có một chùm tia laser tán xạ ánh sáng ra khỏi ion đó, mỗi khi ion đó tán xạ một photon, nó sẽ bị đẩy theo hướng của chùm tia laser", Killian nói.
Điều này có nghĩa là nếu một chùm tia laser chống lại chuyển động tự nhiên của ion, mỗi khi ion tán xạ ánh sáng, nó sẽ mất một số động lượng, làm chậm nó.
"Nó giống như đi lên dốc hoặc trong mật đường," ông nói.
Trong các thí nghiệm của họ, Killian và các đồng nghiệp đã tạo ra một lượng nhỏ plasma trung tính - plasma với số lượng điện tích dương và âm tương đối bằng nhau - làm bay hơi kim loại strontium và sau đó ion hóa đám mây. Plasma tan trong chưa đầy 100 triệu giây, điều này không khiến các nhà khoa học mất nhiều thời gian để làm mát nó trước khi nó biến mất. Để làm mát bằng laser hoạt động, họ cần phải lọc trước plasma, làm chậm các ion hơn nữa. Cuối cùng, plasma thu được lạnh hơn khoảng bốn lần so với bất kỳ thứ gì đã được tạo ra trước đó, các tác giả nghiên cứu báo cáo.
Việc lắp ráp các mảnh cần thiết để tạo ra plasma được làm lạnh cao mất khoảng 20 năm, mặc dù các thí nghiệm tự kéo dài chưa đến một phần của giây - và có hàng ngàn trên hàng ngàn thí nghiệm được thực hiện, Killian nói.
"Khi chúng tôi tạo ra một plasma, nó chỉ tồn tại trong vài trăm micro giây. Mỗi 'tạo ra một plasma, làm mát bằng tia laser, nhìn và xem những gì đã xảy ra' là ít hơn một phần nghìn giây," ông nói. "Phải mất nhiều ngày và ngày để thực sự xây dựng đủ dữ liệu để nói, 'Ah, đây là cách mà plasma hoạt động.'"
Đi lạnh hơn
Những phát hiện của nghiên cứu đưa ra rất nhiều câu hỏi về cách plasma cực nhanh có thể tương tác với năng lượng và vật chất; việc tìm ra câu trả lời có thể giúp tạo ra các mô hình sao lùn trắng và các hành tinh khí khổng lồ chính xác hơn, có plasma sâu trong nội thất của chúng hoạt động tương tự như plasma được làm mát trong phòng thí nghiệm.
"Chúng ta cần các mô hình tốt hơn của các hệ thống đó để chúng ta có thể hiểu được sự hình thành hành tinh", Killian nói. "Đây là lần đầu tiên chúng tôi có một thí nghiệm trên bàn, trong đó chúng tôi thực sự có thể đo lường mọi thứ để đưa vào các mô hình đó."
Tạo plasma thậm chí lạnh hơn cũng có thể nằm trong tầm tay, điều này có thể làm thay đổi sự hiểu biết của các nhà khoa học về cách thức vật chất bí ẩn này hoạt động, Killian nói với Live Science.
Killian nói: "Nếu chúng ta có thể làm mát nó theo một mức độ lớn khác, chúng ta có thể tiến gần đến những dự đoán về nơi plasma thực sự có thể trở thành một chất rắn - nhưng một chất rắn kỳ lạ có độ đậm đặc gấp 10 lần so với bất kỳ chất rắn nào mà con người từng tạo ra".
"Điều đó sẽ rất, rất thú vị," ông nói thêm.
Những phát hiện được công bố trực tuyến vào thứ năm (3 tháng 1) trên tạp chí Science.
Lưu ý của biên tập viên: Câu chuyện này đã được cập nhật để điều chỉnh nhiệt độ của bề mặt mặt trời từ 3,5 triệu độ F (2 triệu độ C), đại diện cho nội thất nóng hơn của ngôi sao.
Bài viết gốc về Khoa học sống.
