宇宙比以往任何时候都更掌握在我们手中
- Feb 2, 2023
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作者：Adam Frank
出处：The Atlantic
翻译：Bill Zhu
可怜的天文学家吧。生物学家可以把带有生命的物体拿在手里。地质学家可以用岩石装满标本柜。甚至物理学家也可以在地球上的实验室里探测亚原子粒子。但在其数千年的历史中，天文学一直是一门被”分离”的科学。没有天文学家曾站在围绕遥远恒星运行的外星系外行星的海岸上，也没有人近距离观察过星际星云。除了捕捉到一些穿越巨大虚空的光波外，天文学家从来没有亲密接触过激发他们激情的环境。
直到最近，情况都是这样。在21世纪初，天体物理学家为自己开启了一个意想不到的新时代:大规模实验室实验。高能机器，特别是一些非常大的激光，提供了重新创造宇宙的方法，使像我这样的科学家能够在可控的环境中探索宇宙中一些最引人注目的环境。研究人员已经学会了在实验室里爆炸迷你超新星，重现新生恒星周围的环境，甚至探测巨大的、可能适合居住的系外行星的中心。
我们是如何走到这一步的是科学和协同作用的伟大故事之一。这种新的基于实验室的大规模天体物理学的出现，是一个更广泛、更令人担忧、现在相当新闻化的科学之旅的一个意想不到的副作用:对核聚变的探索。当人类努力捕捉恒星的能量时，我们也找到了一种将恒星带回地球的方法。
上个月，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家们大张旗鼓地宣布，他们已经跨越了核聚变的里程碑。核聚变实验产生的能量第一次超过了投入的能量。尽管世界上可能还需要几十年的时间才能实现任何一种有效的聚变发电机，但这项实验是一项科学突破，使我们通过自我维持的聚变反应向清洁和本质上无限的能源迈进了一步。为了实现这一目标，研究人员依靠激光重新创造了一个已经发生热核聚变反应的地方:太阳的核心。他们将激光聚焦在微小的氢球上，模拟太阳异常高的温度和密度，将氢核挤压成氦，并启动聚变反应。
但是天上的星星不会轻易透露自己的秘密。使用的激光原本是工厂里的器械，需要巨大的能量来运行。正是在建造这些多层光机的过程中，科学家们意识到他们也无意间建造了一个前所未有的研究天空的工具。这个被称为高能密度实验室天体物理学(HEDLA)的领域围绕着这些激光出现，为天文学家提供了全新的方法来实践他们的技术。
这项工作始于21世纪初，当时研究的是宇宙中能量最大的事件之一:超新星，即终结大质量恒星生命的巨大爆炸。超新星是由强大的激波驱动的，激波在恒星的核心形成，然后向外传播，将恒星的外层吹入太空。恒星深处的重元素是生命最终在某处形成的关键，所以天文学家长期以来的一个问题是，超新星爆炸是否会将恒星的核心元素与较轻的表面元素混合，并通过这种混合将生命所必需的重元素分散到宇宙中。天文学家和聚变等离子体物理学家共同努力，用塑料薄条和密度较低的泡沫状材料，重新创造了恒星的微缩层。然后他们用巨大的聚变激光轰击他们制造的迷你”星三明治”。形成了强大的冲击波，撕裂了目标，把他们像潮湿的纸板一样扣住。事实证明，这两层之间的混合是真实的。这些实验证实了天文学家关于元素如何在星系中循环的主要部分。
这对天文学来说是一个激动人心的方向。天文学家现在不仅可以在实验室里摆弄恒星的东西;他们可以一遍又一遍地这样做。通过调整一个又一个变量，他们可以进行真正的地球实验，测试假设，并看着结果在他们眼前发挥作用。很快，他们开发了实验平台来研究广泛的天文环境，包括伴随恒星形成的旋转气体盘和巨大星际云的碰撞。HEDLA仍有局限性;并非所有的天体物理现象都能在实验室中研究。例如，强引力效应是无法捕捉到的，因为它们需要恒星的质量，也没有资助机构为此买单。天体物理学家的诀窍在于找到他们想要回答的问题与巨型聚变机器所能创造的极端条件之间的重合点。
行星表面的条件，即生命形成的地方，很大程度上取决于内部深处发生的事情。数千英里之下，压力如此之大，岩石被挤压，直到它们在炎热的日子里像沥青一样渗出，铁也液化了。在某些情况下，这种熔融汤的旋转运动驱动着支持生命的全球性保护性磁场。这就是HEDLA的高功率激光器发挥作用的地方:它们被证明是探测行星内部深处压力的独特完美工具。通过使用激光将岩石和金属样品挤压到行星深处的压力，研究人员可以看到样品的行为，发现它们的流动阻力(对板块构造很重要)或导电能力(对磁场产生很重要)。
这也是我的用武之地。我和我的同事们正在进行的研究是由国家科学基金会资助的一项多年、多机构推动的研究的一部分，该研究旨在使HEDLA成为了解行星状况(包括超级地球)的主要工具。事实上，在最近的一次实验中，加利福尼亚劳伦斯利弗莫尔国家实验室使用了同样巨大的192激光束设备，最近的聚变突破就是在那里发生的——所有大型激光器的大户。研究人员想要了解铁对超级地球压力的反应，因为在行星内核中旋转的液态铁是形成行星磁场的关键。铁在超级地球内部会保持液态，还是会随着时间的推移而“冻结”，凝固成晶格，从而扼杀磁场的任何机会?通过将铁的压力提高到地球表面压力的1000万倍，这项研究准确追踪了铁从液态变为固态的时间。从这些数据中，研究小组发现超级地球可以使其核心保持足够长的时间液态，以使磁场为行星提供10亿年或更长时间的屏蔽。如果这些结果得到证实，那么这些大行星可能不仅有适合生命形成的条件，而且有适合生命进化和繁荣的条件。
像这样的实验证明了实验室天体物理学的新领域在短短几十年里取得了多大的进步。这是一个进步与成长的故事。近一个世纪前，天体物理学家发现了恒星中热核反应的物理学。他们的努力不是为了有朝一日为人类的城市提供电力，而是为了回答一个古老的宇宙问题:是什么让星星发光?只有在冷战时期核武器出现之后，一些科学家才开始探索和平利用核聚变的可能性。现在，在向丰富的清洁能源迈进的过程中，我们已经缩小了与恒星和整个宇宙的能量的距离。宇宙比以往任何时候都更加掌握在我们手中。在我们的实验室中捕捉到它的能力，即使是它的一小部分，我们也会想起它一直以来是多么的巨大和壮观。
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