Tyngdekraftskrystaller:En ny metode til at udforske fysikken i hvide dværgstjerner

Tag en blandeskål fra dit køkken, smid en håndfuld aluminiumskugler i, anvende noget højspænding, og se en elegant dans udfolde sig, hvor partikler re-arrangerer sig selv i et tydeligt "krystal" mønster. Denne underlige adfærd hører til fænomenet kendt som Wigner -krystallisering, hvor partikler med den samme elektriske ladning frastøder hinanden for at danne en ordnet struktur.

Wignerkrystallisering er blevet observeret i forskellige systemer, lige fra partikler på størrelse med sandkorn suspenderet i små skyer af elektroner og ioner (kaldet et støvet plasma) til det tætte indre af stjerner i planetstørrelse, kendt som hvide dværge. Professor Alex Bataller fra North Carolina State University har for nylig opdaget, at Wigner -krystallisering inde i hvide dværge kan studeres i laboratoriet ved hjælp af en ny klasse af klassiske systemer, kaldes tyngdekraftskrystaller.

For at Wigner -krystallisationens underlige adfærd kan forekomme, der skal være et system sammensat af ladede partikler, der begge er frie til at bevæge sig rundt (plasma), der stærkt interagerer med hinanden (stærkt koblede partikler), og har tilstedeværelsen af ​​en begrænsende kraft til at forhindre plasmapartiklerne i at frastødende eksplodere væk fra hinanden.

For at studere denne tilstand for små skalaer i laboratoriet, Dr. Bataller udtænkte et nyt arrangement, der placerer metalsfærer i kontakt med en højspændingsbegrænsende overflade, som oplader kuglerne ved at overføre hundredvis af millioner af elektroner til deres overflade, og øger derved partikelafstødning, og holder også partiklerne indeholdt. Ud over, når kuglerne ruller over overfladen, deres bevægelse producerer friktion, der hurtigt reducerer kinetisk energi og fremmer stærk kobling.

Den vigtigste indsigt, der muliggjorde den nuværende opdagelse, var at bruge tyngdekraften som den begrænsende kraft. På denne måde, små ladede kugler kan begrænses gravitationsmæssigt ved hjælp af en simpel geometri ... en skål.

Ved at bruge tyngdekraftsindespærring, Dr. Bataller opdagede, at Wigner -krystallisation også kan udvides til makroskopiske dimensioner med partikler en million gange mere massiv end dens støvede plasmakusine, som nu kan bruges til at studere andre krystal systemer. For eksempel, tyngdekraftskrystaller kan simulere et underligt træk ved hvide dværgstjerner kaldet sedimentation. Det blev for nylig opdaget, at lagdelte krystallag kan dannes i hvide dværgstjerner, der indeholder ilt og kulstof, hvor den tungere ilt "synker" til kernen. Tyngdekraftens krystalarrangement gengiver denne lagdelingseffekt, når højspænding påføres et oprindeligt blandet system af kobber og aluminiumskugler. Analog til sedimentering i hvide dværgstjerner, kobberkuglerne trænger mod skålens centrum, samtidig med at de bevarer en krystalstruktur.

Plasmaegenskaberne og det ydre miljø af en tyngdekraftskrystal og en hvid dværgstjerne er så forskellige, som man kan forestille sig, alligevel udviser begge systemer lignende adfærd, som taler til den robuste karakter af Wigner -krystallisering.

"Den rige mangfoldighed af systemer, hvor vi har observeret Wigner-krystallisering, er et direkte resultat af dets skalauafhængige karakter, "Dr. Bataller sagde." Tyngdekraftskrystaller udvider dette fænomen til menneskelige dimensioner, mens de har brug for minimale ressourcer. Det, der begejstrer mig mest ved denne nye platform, er, at stort set enhver nysgerrig person kan genskabe denne fascinerende tilstand, der, indtil nu, har været begrænset til millionforsøg og inden for det tætte indre af stjerner. "