两英里长的X射线激光为探索神秘的物质状态打开了新窗口

暖致密物质存在于木星型巨行星内部（在那里，它以金属液体的形式围绕着岩石核心，温度高达数千开尔文），也存在于小型恒星--褐矮星的内部。资料来源：IFJ PAN / NASA

在褐矮星或气态行星等的内部，存在着一种神秘的物质状态，其温度只有几千度，密度很高，接近固体。虽然它在宇宙中很常见，但却很难在实验室中产生和分析。

就在十几年前，物理学家们发射了第一台自由电子 X 射线激光器，从此开启了对这种所谓的温致密物质（WDM）状态进行实验研究的新纪元。欧洲 XFEL 激光器长达 3.4 千米（2.1 英里），是这类设备的佼佼者。

最近在那里进行的一系列实验首次观测到了金属如何迅速转变为电离波长多波长的奇异状态，并在这一过程结束时变得对 X 射线透明（不吸收）。国际科学家团队（包括克拉科夫波兰科学院核物理研究所（IFJ PAN）的科学家）的这一成果在《自然-物理》杂志上发表的一篇论文中进行了讨论。

X 射线自由电子激光器（XFEL）用于产生持续单飞秒（即十亿分之一秒的百万分之一）的高强度 X 射线脉冲。它们可用于研究原子长度尺度的物质结构，并跟踪极短时间尺度的现象。位于汉堡的欧洲 XFEL 是世界上仅有的十几个这样的装置之一，它是与DESY研究中心合作建造的。

带有黄色超导加速器模块的XFEL加速器部分长达两公里。图片来源：DESY / Dirk Nölle

Beata Ziaja-Motyka教授（IFJ PAN，DESY）介绍说："在欧洲XFEL的实验中，我们用持续15飞秒的X射线脉冲照射铜样品，使用不同的、逐渐增强的强度。"

该论文的第一作者、来自欧洲 XFEL 的 Laurent Mercadier 博士补充了一些物理细节："当单个 X 射线激光脉冲到达材料时，会引起强烈的电离。在此过程中释放出的电子具有高温的特点。在这种极端条件下，铜变成了一种温热的致密物质。我们仔细记录了通过该物质的辐射量，并由此推断出观测系统中的电离变化"。

自2004年以来，Ziaja-Motyka教授在DESY开发的BOLTZMANN SOLVER软件对解释测量结果特别有帮助。该工具用于模拟波分复用器中各个能级的电子占有率随入射激光辐射强度而发生的变化。

通过将实验数据与模拟数据进行对比，可以确定，当 X 射线强度足够高时，波长为 1.5 纳米的原子会发生强烈电离。由于这种现象，出现了可被激发电子占据的新能级--使得 WDM 对与这些新能级跃迁共振的光子不透明。以前已经用光学激光器观测到过这些状态，但由于激光器的能量限制，无法对它们进行更详细的研究。

现在，有了欧洲 X 射线激光器 XFEL，我们就有可能在不同强度的 X 射线脉冲下准确地描述它们的特性。根据 Joshua Kas 博士（美国华盛顿大学）和 Andrei Benediktovitch 博士（汉堡 DESY）对 X 射线吸收光谱的理论预测，我们进一步观察到，随着激光强度的增加，暖致密物质首先变得不透明，然后在最高强度下对激光脉冲变得透明。

"波分复用器中出现的'透明'现象--即缺乏吸收--是波分复用器原子在足够高的 X 射线脉冲强度下发生高度电离的结果。实验中可用的 X 射线光子能量太小，无法进一步激发电子。因此，这些光子根本无法被温暖的致密物质吸收"，Ziaja- Motyka 教授解释道。

了解温致密物质的特性及其内部发生的过程不仅具有天体物理学意义，而且还具有实际工程意义。这种状态的物质在某些类型的受控核聚变（ICF--惯性约束聚变）中发挥着重要作用，在从轨道返回地球的航天器的金属热屏蔽烧蚀过程中也会出现。

由 Nina Rohringer 教授（汉堡大学 DESY）领导的欧洲 X 射线 XFEL 激光设备物理学家团队打算继续研究波分复用器中发生的电子和电离过程及其动态。在波兰方面，这项工作由波兰科学院核物理研究所共同资助。

编译自/ScitechDaily