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天體的大氣狀態竟能被“複制”！？來看看科學家們怎麼做

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2022年3月22日 -
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央廣網北京11月26日消息 據中央廣播電視總台中國之聲《新聞超鏈接》報道，近日，西安交通大學物理學院趙永濤教授團隊與中物院激光聚變研究中心、深圳技術大學等單位合作，利用星光III強激光大科學裝置制備了類白矮星H1504+65大氣狀態的均勻稠密等離子體，獲得了軟X射線及極紫外波段的上百條高分辨光譜，標識了若乾新譜線，填補了15-90nm波段的天文觀測空白。 相關研究成果在《天體物理學期刊》在線發表。 
白矮星是中低質量恒星演化的最終產物，銀河系中近97%的恒星都會以白矮星的方式終結一生。 有一顆編號為H1504+65的白矮星極為特殊，表面溫度約20萬開爾文，是目前發現的溫度最高的白矮星。 這顆白矮星的大氣成分以及基本狀態參數均基於天文觀測光譜分析確定，然而部分觀測譜線尚未被准確識別，部分波段受天文觀測條件限制處於空白狀態。 
因此，在實驗室開展類白矮星條件測量對於解釋天文望遠鏡觀測現象、確定星體狀態和壽命、推測宇宙演化過程至關重要。 
白矮星有何特征？為什麼要研究H1504+65白矮星？如何制備類H1504+65白矮星的等離子體？大科學裝置設備對科學發展有何意義？
白矮星H1504+65（圖片來自Sliwinski, M.S. and Sliwinska, L.I. 發布於西安交大官網）
什麼是白矮星？
白矮星是一種發光度較低，但溫度和密度較高的恒星。 因其顏色為白色，且體積較小，通常被人們稱為白矮星。 
白矮星的體積雖小但質量較大，所以擁有極高的密度。 為了維持高密度以不至塌縮，白矮星需要依靠“電子簡並壓”，因此在物理學上，白矮星同時又可被稱作“簡並矮星”。 白矮星的內部主要由碳構成，部分白矮星的內部由碳和氧共同構成，而白矮星的外部通常是氫氣與氦氣。 
在宇宙中存在著大量的白矮星。 中等質量或是小質量的恒星通過核熱聚變後形成的“灰燼”就是白矮星，白矮星是大多數中等質量恒星最後的歸宿。 恒星每天都在發生著氫核聚變，氫核聚變是一個漫長的過程，氫核聚變會降低恒星的溫度，當溫度低至不足以支撐恒星繼續產生劇烈的氫核聚變時，恒星就進入了較為穩定的白矮星狀態。 
即使宇宙中存在許多白矮星，但H1504+65白矮星引起了科學家的關注。 白矮星的溫度通常約為8000開爾文，但H1504+65白矮星的溫度高達20萬開爾文。 且H1504+65白矮星外部的大氣並不是氫氣和氦氣，而是溫度非常高的碳和氧的混合氣體，內部也因高溫而存在氖、氦、鎂等元素。 
(a)實驗室制備類白矮星H1504+65大氣狀態物質的實驗設計以及診斷排布示意圖
(b)實驗室觀測光譜錢德拉天文觀測數據的對比（圖片來源：西安交大官網）
如何制備類白矮星H1504+65大氣狀態的均勻稠密等離子體？
通常情況下，利用激光打一個樣品的時候，樣品會因為高溫但密度不均的原因而快速膨脹。 西安交通大學物理學院副院長趙永濤教授介紹，在此次制造類白矮星H1504+65大氣狀態的均勻稠密等離子體的過程中，研究者采用了將激光注入金槍的巧妙設計，先將激光注入金槍，再利用金槍生產X射線。 X射線的穿透力極強，可以直接加熱樣品的內部，解決了樣品溫度、密度不均而快速膨脹的問題。 
通過天文觀測，研究者大致確定了H1504+65白矮星的溫度、密度範圍等數據，由此制備出了和研究目標非常類似的等離子體，該等離子體雖然大小只有毫米量級，且存在的時間只有10納秒，但卻足以支撐研究者對其展開觀測工作。 
對等離子體進行觀測可以彌補天文觀測的局限性。 
首先，研究者主要是對所制備出的等離子體的光譜信息進行觀測，將等離子體的光譜信息同天文觀測得到的光譜信息進行對比，通過對比將天體觀測中未標識的弧線標識清楚。 同時，天文觀測在信息傳輸的過程中有可能發生波段信息丟失的問題，對等離子體進行觀測可以補充這方面的信息。 並且，觀測等離子體所得出的天體的溫度和密度信息要比直接進行天體觀測而得出的信息准確的多。 
星光III強激光大科學裝置還能完成哪些科學任務？
大科學裝置指集合多種技術的大型科學裝置，是人類解開未解之謎的重要工具。 此次制備類白矮星H1504+65大氣狀態的均勻稠密等離子體所用到的星光III強激光大科學裝置可以為聚變科學、天體物理學以及極端材料學等科學的研究提供強大支撐。 
除了星光III強激光大科學裝置，我國還擁有不少大科學裝置。 例如在“十二五”時期，我國啟動了強流重離子加速器的建設項目，大批量的裝置將在惠州建成。 這一裝置將是世界上功率最大的強流重離子加速器，未來主要用於核科學與聚變科學的研究。 西安交大也建成了激光與粒子束科學技術研究所，趙永濤表示，將激光與粒子束應用到生活中也是將來科學研究的重要方向，醫學領域將成為未來激光與粒子束應用的重要領域之一。 西安交大承接了國家醫學中心的建設項目，該項目的一號任務就是用加速器產生重離子進行癌症的放射治療。 
科學研究離不開大科學裝置的支撐，我國也對大科學裝置的發展投入了大量的資源，未來伴隨著各項尖端技術的發展，我國人民的生活水平也將因此得到顯著提升。 
監制：梁悅
記者：劉鶴佳
編輯：楊揚 潘雨薇 彭毓姬

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白矮星是中低質量恒星演化的最終產物，銀河系中近97%的恒星都會以白矮星的方式終結一生。有一顆編號為H1504+65的白矮星極為特殊，表面溫度約20萬開爾文，是目前發現的溫度最高的白矮星。這顆白矮星的大氣成分以及基本狀態參數均基於天文觀測光譜分析確定，然而部分觀測譜線尚未被准確識別，部分波段受天文觀測條件限制處於空白狀態。

因此，在實驗室開展類白矮星條件測量對於解釋天文望遠鏡觀測現象、確定星體狀態和壽命、推測宇宙演化過程至關重要。

白矮星有何特征？為什麼要研究H1504+65白矮星？如何制備類H1504+65白矮星的等離子體？大科學裝置設備對科學發展有何意義？

白矮星H1504+65（圖片來自Sliwinski, M.S. and Sliwinska, L.I. 發布於西安交大官網）

什麼是白矮星？

白矮星是一種發光度較低，但溫度和密度較高的恒星。因其顏色為白色，且體積較小，通常被人們稱為白矮星。

白矮星的體積雖小但質量較大，所以擁有極高的密度。為了維持高密度以不至塌縮，白矮星需要依靠“電子簡並壓”，因此在物理學上，白矮星同時又可被稱作“簡並矮星”。白矮星的內部主要由碳構成，部分白矮星的內部由碳和氧共同構成，而白矮星的外部通常是氫氣與氦氣。

在宇宙中存在著大量的白矮星。中等質量或是小質量的恒星通過核熱聚變後形成的“灰燼”就是白矮星，白矮星是大多數中等質量恒星最後的歸宿。恒星每天都在發生著氫核聚變，氫核聚變是一個漫長的過程，氫核聚變會降低恒星的溫度，當溫度低至不足以支撐恒星繼續產生劇烈的氫核聚變時，恒星就進入了較為穩定的白矮星狀態。

即使宇宙中存在許多白矮星，但H1504+65白矮星引起了科學家的關注。白矮星的溫度通常約為8000開爾文，但H1504+65白矮星的溫度高達20萬開爾文。且H1504+65白矮星外部的大氣並不是氫氣和氦氣，而是溫度非常高的碳和氧的混合氣體，內部也因高溫而存在氖、氦、鎂等元素。

(a)實驗室制備類白矮星H1504+65大氣狀態物質的實驗設計以及診斷排布示意圖

(b)實驗室觀測光譜錢德拉天文觀測數據的對比（圖片來源：西安交大官網）

如何制備類白矮星H1504+65大氣狀態的均勻稠密等離子體？

通常情況下，利用激光打一個樣品的時候，樣品會因為高溫但密度不均的原因而快速膨脹。西安交通大學物理學院副院長趙永濤教授介紹，在此次制造類白矮星H1504+65大氣狀態的均勻稠密等離子體的過程中，研究者采用了將激光注入金槍的巧妙設計，先將激光注入金槍，再利用金槍生產X射線。X射線的穿透力極強，可以直接加熱樣品的內部，解決了樣品溫度、密度不均而快速膨脹的問題。

通過天文觀測，研究者大致確定了H1504+65白矮星的溫度、密度範圍等數據，由此制備出了和研究目標非常類似的等離子體，該等離子體雖然大小只有毫米量級，且存在的時間只有10納秒，但卻足以支撐研究者對其展開觀測工作。

對等離子體進行觀測可以彌補天文觀測的局限性。

首先，研究者主要是對所制備出的等離子體的光譜信息進行觀測，將等離子體的光譜信息同天文觀測得到的光譜信息進行對比，通過對比將天體觀測中未標識的弧線標識清楚。同時，天文觀測在信息傳輸的過程中有可能發生波段信息丟失的問題，對等離子體進行觀測可以補充這方面的信息。並且，觀測等離子體所得出的天體的溫度和密度信息要比直接進行天體觀測而得出的信息准確的多。

星光III強激光大科學裝置還能完成哪些科學任務？

大科學裝置指集合多種技術的大型科學裝置，是人類解開未解之謎的重要工具。此次制備類白矮星H1504+65大氣狀態的均勻稠密等離子體所用到的星光III強激光大科學裝置可以為聚變科學、天體物理學以及極端材料學等科學的研究提供強大支撐。

除了星光III強激光大科學裝置，我國還擁有不少大科學裝置。例如在“十二五”時期，我國啟動了強流重離子加速器的建設項目，大批量的裝置將在惠州建成。這一裝置將是世界上功率最大的強流重離子加速器，未來主要用於核科學與聚變科學的研究。西安交大也建成了激光與粒子束科學技術研究所，趙永濤表示，將激光與粒子束應用到生活中也是將來科學研究的重要方向，醫學領域將成為未來激光與粒子束應用的重要領域之一。西安交大承接了國家醫學中心的建設項目，該項目的一號任務就是用加速器產生重離子進行癌症的放射治療。

科學研究離不開大科學裝置的支撐，我國也對大科學裝置的發展投入了大量的資源，未來伴隨著各項尖端技術的發展，我國人民的生活水平也將因此得到顯著提升。

監制：梁悅

記者：劉鶴佳

編輯：楊揚潘雨薇彭毓姬