包括羅斯托克大學和德累斯頓-羅森道夫亥姆霍茲中心（HZDR）的科學家在內的一個研究小組在勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室（LLNL）進行了實驗室實驗，對巨行星和恆星中壓力驅動的電離的複雜過程提供了新的見解。他們的研究於5月24日發表在《自然》雜誌上，揭示了物質在極端壓縮條件下的材料特性和行為，為天體物理學和核聚變研究提供了重要意義。

該國際研究小組利用世界上最大和最有能量的激光器，即國家點火設施（NIF）來產生壓力驅動電離所需的極端條件。通過使用184道激光束，研究小組加熱了一個空腔的內部，將激光能量轉換為X射線，加熱了放置在中心的直徑為2毫米的鈹殼。當殼的外部由於加熱而迅速膨脹時，內部加速向內達到大約200萬開爾文的溫度和高達30億個大氣壓的壓力，在實驗室裡創造了一個在矮星中發現的微小物質，時間為幾納秒。

研究人員使用X射線湯姆森散射法對高度壓縮的鈹樣品進行了探測，其密度、溫度和電子結構是其環境固體密度的30倍。研究結果顯示，在強烈的加熱和壓縮之後，鈹的四個電子中至少有三個過渡到了導電狀態。此外，該研究還發現了意想不到的弱彈性散射，表明剩餘電子的本地化程度降低。

巨型行星和一些相對冷的恆星內部的物質被上面的層的重量所高度壓縮。在這種由高度壓縮產生的高壓下，原子核的接近引發了相鄰離子的電子束縛狀態之間的相互作用，並最終導致它們完全電離。雖然燃燒中的恆星的電離主要由溫度決定，但壓力驅動的電離在較冷的物體中占主導地位。

“恆星內部原子的電離程度對於能量如何有效地通過輻射從中心向外部傳輸至關重要。如果這一點受到太嚴重的限制，它就會在天體中變得湍流，類似於一個鍋。”多米尼克-克勞斯解釋說，他在項目開始時還在加利福尼亞工作，現在是羅斯托克大學的物理學教授和HZDR的小組負責人。”如果它的的流速過於湍急，我們所知道的生命可能不可能在小恆星周圍的近距離軌道上出現。”

儘管壓力電離對天體的結構和演化很重要，但作為通向高度電離物質的途徑，理論上並不十分清楚。此外，所需的極端物質狀態很難在實驗室中創造和研究，領導該項目的LLNL物理學家和羅斯托克大學的校友Tilo Döppner說。”我們的工作為研究和模擬極端壓縮下的物質行為開闢了新的途徑。密集等離子體中的電離是一個關鍵參數，因為它影響到狀態方程、熱力學特性和通過不透明的輻射傳輸”。

這項研究對NIF的慣性約束核聚變實驗也有重大影響，X射線吸收和壓縮性是優化高性能核聚變實驗的關鍵參數。Döppner補充說，對壓力和溫度驅動的電離的全面理解對於壓縮材料的建模以及最終通過激光驅動的核聚變開發豐富的無碳能源至關重要。

羅斯托克大學物理學教授、緻密天體物理等離子體理論描述專家Ronald Redmer報告說：”這些突破性的結果也是由羅斯托克大學和德累斯頓-羅森道夫亥姆霍茲中心的博士生們的專注工作促成的，他們中的一些人已經在加利福尼亞的NIF完成了研究。對來自複雜的實驗裝置的結果進行評估以及對所調查的等離子體狀態進行建模是非常複雜的，需要大量的計算能力。花了幾年時間才達到目前對實驗數據的理解”。

研究人員還希望從德國的一個設施中獲得對數十億個大氣壓下的物質的進一步深入了解。在位於Schenefeld的歐洲XFEL的亥姆霍茲極限場國際光束線（HIBEF）的幫助下，羅斯托克大學和亥姆霍茲-德累斯頓-羅森多夫中心的科學家們希望在更小的規模上實現類似的條件。這將使我們能夠進行比目前在NIF所能進行的更多的實驗。