天体的大气状态竟能被复制！？来看看科学家们怎么做

　　央广网北京11月26日消息 据中央广播电视总台中国之声《新闻超链接》报道，近日，西安交通大学物理学院赵永涛教授团队与中物院激光聚变研究中心、深圳技术大学等单位合作，利用星光III强激光大科学装置制备了类白矮星H1504+65大气状态的均匀稠密等离子体，获得了软X射线及极紫外波段的上百条高分辨光谱，标识了若干新谱线，填补了15-90nm波段的天文观测空白。相关研究成果在《天体物理学期刊》在线发表。
　　白矮星是中低质量恒星演化的最终产物，银河系中近97%的恒星都会以白矮星的方式终结一生。有一颗编号为H1504+65的白矮星极为特殊，表面温度约20万开尔文，是目前发现的温度最高的白矮星。这颗白矮星的大气成分以及基本状态参数均基于天文观测光谱分析确定，然而部分观测谱线尚未被准确识别，部分波段受天文观测条件限制处于空白状态。
　　因此，在实验室开展类白矮星条件测量对于解释天文望远镜观测现象、确定星体状态和寿命、推测宇宙演化过程至关重要。
　　白矮星有何特征？为什么要研究H1504+65白矮星？如何制备类H1504+65白矮星的等离子体？大科学装置设备对科学发展有何意义？
　　白矮星H1504+65（图片来自Sliwinski, M.S. and Sliwinska, L.I. 发布于西安交大官网）
　　什么是白矮星？
　　白矮星是一种发光度较低，但温度和密度较高的恒星。因其颜色为白色，且体积较小，通常被人们称为白矮星。
　　白矮星的体积虽小但质量较大，所以拥有极高的密度。为了维持高密度以不至塌缩，白矮星需要依靠＂电子简并压＂，因此在物理学上，白矮星同时又可被称作＂简并矮星＂。白矮星的内部主要由碳构成，部分白矮星的内部由碳和氧共同构成，而白矮星的外部通常是氢气与氦气。
　　在宇宙中存在着大量的白矮星。中等质量或是小质量的恒星通过核热聚变后形成的＂灰烬＂就是白矮星，白矮星是大多数中等质量恒星最后的归宿。恒星每天都在发生着氢核聚变，氢核聚变是一个漫长的过程，氢核聚变会降低恒星的温度，当温度低至不足以支撑恒星继续产生剧烈的氢核聚变时，恒星就进入了较为稳定的白矮星状态。
　　即使宇宙中存在许多白矮星，但H1504+65白矮星引起了科学家的关注。白矮星的温度通常约为8000开尔文，但H1504+65白矮星的温度高达20万开尔文。且H1504+65白矮星外部的大气并不是氢气和氦气，而是温度非常高的碳和氧的混合气体，内部也因高温而存在氖、氦、镁等元素。
　　(a)实验室制备类白矮星H1504+65大气状态物质的实验设计以及诊断排布示意图
　　(b)实验室观测光谱钱德拉天文观测数据的对比（图片来源：西安交大官网）
　　如何制备类白矮星H1504+65大气状态的均匀稠密等离子体？
　　通常情况下，利用激光打一个样品的时候，样品会因为高温但密度不均的原因而快速膨胀。西安交通大学物理学院副院长赵永涛教授介绍，在此次制造类白矮星H1504+65大气状态的均匀稠密等离子体的过程中，研究者采用了将激光注入金枪的巧妙设计，先将激光注入金枪，再利用金枪生产X射线。X射线的穿透力极强，可以直接加热样品的内部，解决了样品温度、密度不均而快速膨胀的问题。
　　通过天文观测，研究者大致确定了H1504+65白矮星的温度、密度范围等数据，由此制备出了和研究目标非常类似的等离子体，该等离子体虽然大小只有毫米量级，且存在的时间只有10纳秒，但却足以支撑研究者对其展开观测工作。
　　对等离子体进行观测可以弥补天文观测的局限性。
　　首先，研究者主要是对所制备出的等离子体的光谱信息进行观测，将等离子体的光谱信息同天文观测得到的光谱信息进行对比，通过对比将天体观测中未标识的弧线标识清楚。同时，天文观测在信息传输的过程中有可能发生波段信息丢失的问题，对等离子体进行观测可以补充这方面的信息。并且，观测等离子体所得出的天体的温度和密度信息要比直接进行天体观测而得出的信息准确的多。
　　星光III强激光大科学装置还能完成哪些科学任务？
　　大科学装置指集合多种技术的大型科学装置，是人类解开未解之谜的重要工具。此次制备类白矮星H1504+65大气状态的均匀稠密等离子体所用到的星光III强激光大科学装置可以为聚变科学、天体物理学以及极端材料学等科学的研究提供强大支撑。
　　除了星光III强激光大科学装置，我国还拥有不少大科学装置。例如在＂十二五＂时期，我国启动了强流重离子加速器的建设项目，大批量的装置将在惠州建成。这一装置将是世界上功率最大的强流重离子加速器，未来主要用于核科学与聚变科学的研究。西安交大也建成了激光与粒子束科学技术研究所，赵永涛表示，将激光与粒子束应用到生活中也是将来科学研究的重要方向，医学领域将成为未来激光与粒子束应用的重要领域之一。西安交大承接了国家医学中心的建设项目，该项目的一号任务就是用加速器产生重离子进行癌症的放射治疗。
　　科学研究离不开大科学装置的支撑，我国也对大科学装置的发展投入了大量的资源，未来伴随着各项尖端技术的发展，我国人民的生活水平也将因此得到显著提升。
　　监制：梁悦
　　记者：刘鹤佳