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외계 행성의 내부를 연구하는 재료 과학자

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광활한 우주에서 알려지지 않은 수십억 개의 이상한 세계가 다른 별 주위를 표류합니다. 그들 중 다수는 우리 태양계의 어떤 것과도 매우 다릅니다. 천문학 자들은 다가오는 거대한 관측소를 사용하여 외부를 더 잘 볼 수 있기를 희망하지만 Federica Coppari는 세계에서 가장 큰 레이저를 사용하여 내부를 조사하고 있습니다.

Coppari는 암석과 물을 포함한 익숙한 물질을 새로운 형태로 압축합니다. 그녀의 연구는 천왕성과 해왕성과 같은 얼어 붙은 거인의 내부 작용에 대한 통찰과 초 지구의 잠재적 거주 가능성에 대한 통찰력을 제공했습니다.

XNUMX 년 전 그녀와 그녀의 동료들은“초 이온 얼음,”일반적으로 차가운 물질의 뜨겁고 검은 형태. 이 오랫동안 추구 된 단계는 우주에서 가장 흔한 형태의 얼음 중 하나 일 수 있으며, 우리 태양계와 다른 곳에서 얼음 거인 내부에서 발견됩니다. 이 연구는 그러한 세계의 자기장에 대한 퍼즐을 푸는 데 도움이되었습니다.

Coppari가 번성하는 곳은 지상파와 천체가 만나는 곳입니다. 그녀는“실험실에서 진행된 우리의 실험이 그곳에서 무슨 일이 일어나고 있는지에 대해 말할 수있는 방법은 매우 흥미 롭습니다.”라고 말했습니다.

많은 아이들과 마찬가지로 Coppari는 우주 비행사가되고 싶었던시기를 보냈습니다. 하지만 선생님의 안내에 따라 그녀는 "왜 그런 일이 있고 왜 일이 일어나는지"를 파악하는 데 더 관심이 있다는 것을 깨달았습니다. 그 여정은 그녀가 성장한 이탈리아의 작은 마을 인 아피 냐노에서 파리로 갔다가 미국으로갔습니다. 그녀는 현재 캘리포니아의 로렌스 리버모어 국립 연구소에서 과학자로 일하고 있습니다.

그곳에서 그녀는 축구장 XNUMX 개 크기의 레이저 인 NIF (National Ignition Facility)와 협력하고 있습니다. NIF는 원래 국가의 열핵 무기 비축을 돕고 에너지를위한 핵융합 활용의 꿈을 추구하기위한 것이 었습니다. Coppari는 빔의 강렬한 폭발을 사용하여 레이저 구동 압축 실험을 수행합니다. 각 레이저 "샷"은 나노초 동안 만 지속될 수 있지만 거대한 행성의 중심에서 압력을 재현 할 수 있습니다.

최근에 그녀는 로체스터 대학의 오메가 레이저 시설을 사용하여 우리 행성 맨틀의 주요 구성 요소 중 하나 인 산화철 샘플을 지구 대기압의 최대 7 백만 배까지 압축하는 팀의 일원이었습니다. Coppari와 그녀의 동료들은 초 지구 내부를 모델링하는 데 사용할 수있는 정보를 수집하여 자기장, 지각 운동 및 생물에 대한 적합성에 대한 세부 정보를 파악하는 데 도움을 줄 수있었습니다.

Quanta Magazine Coppari와 지상파가 천체에 대한 통찰력을 제공하는 방법에 대해 이야기했습니다. 인터뷰는 명확성을 위해 압축 및 편집되었습니다.

어디서 자랐습니까?

그것은 산과 아드리아 해 중간에있는 이탈리아의 중심에있는 4,000 명 정도의 작고 매우 조용한 마을입니다. 그런 곳에서 자라지 않았다면 귀여워요. 하지만 그곳에서 자라면서 모두가 모든 사람에 대해 모든 것을 알고있는 마을에있는 것이 그렇게 흥미롭지 않은 것을 보게됩니다. XNUMX 대 초반에 주변에 무엇이 있는지 확인해야한다고 느꼈습니다.

나는 내가 자란 곳에서 그리 멀지 않은 대학에 갔다. 그러다 조금 ​​더 멀리보고 싶다는 느낌이 들었습니다. 이 기회는 이탈리아 카메 리노와 프랑스 파리에서 공동 직책을 맡은 교수와 함께 일할 수있는 기회가되었습니다. 저는 광물학과 고압 물리학을위한 실험실에서 파리에서 몇 달을 보낼 수있었습니다. 그리고 이것이 제가 고압 물리학에서 일하기 시작한 방법입니다.

무엇이 당신의 매력을 촉발 시켰습니까?

일상 생활에서 재료가 가열 될 때 겪는 변화를 경험합니다. 물이 얼고 끓는 것을 볼 수 있습니다. 그러나 압력의 영향은 파악하기가 더 까다 롭습니다. 약간의 압력을 가하는 것만으로도 재료의 특성을 변경하는 것이 얼마나 쉬운 지 보는 것이 즐거웠습니다.

파리는 세상을보고 싶은 욕구를 충족 시켰습니까?

조금. 파리에는 문화, 엔터테인먼트, 연극, 음악 등 찾을 수있는 모든 것이 있습니다. 그러나 또한 훌륭한 실험실이었고 그래서 제가 머물 렀습니다. 나는 파리에서 10 년을 보냈다. 오랜만에 대도시에 지 쳤지 만 좋은 추억이 있습니다. 항상 바쁘다는 느낌이 들기 때문입니다. 게다가, 당신은 아름다운 도시로서의 파리에 대한 이상적인 사진을 가지고 있습니다.하지만 저는 XNUMX 년 만에 XNUMX 일 동안 태양이 가득 찬 것을 겨우 계산했다고 생각합니다. 나머지는 흐리고 회색입니다.

리버모어는 어떻게 되었습니까?

내 Ph.D. 파리의 고문은 레이저를 사용하여 고온과 압력을 생성하는 동적 압축 작업을 시작한 Livermore의 연구 과학자 중 한 명을 알고있었습니다. 나에게 그것은 일종의 분야의 변화였습니다. 충격 물리학에 대해 배워야했는데, 실제로 공부 한 적이 없었습니다. 그러나 나는 그것이 너무 큰 점프가 아닐 것이라고 생각하고 그것을 시도했습니다. 미국에 처음 온 것은 상당히 압도적이었습니다. 그 당시에는 내가 무엇에 들어가고 있는지 완전히 이해하지 못했지만 좋아했습니다.

당신은 무엇을 의미합니까?

재료를 압축하기 위해 레이저를 사용할 때 작동 방식을 의미합니다. 그들은“우리는 레이저를 사용하고 있습니다. 재료를 짜내고, 우리는 이러한 압축 기술을 X-ray 진단과 결합하여 압축이 재료에 미치는 영향을 현장에서 볼 수 있도록 노력하고 있습니다.” 충분히 쉽게 들리지만 문제를 파헤쳐 보면 조금 더 복잡해집니다. 그것이 제가 처음에 얻지 못한 것입니다. 완전히 새로운 물리학, 완전히 새로운 진단, 새로운 데이터 분석 방법, 새로운 샘플 준비 방법을 배워야했습니다.

이 실험 중 하나를 어떻게 수행합니까?

기본적으로 미크론 크기의 두께와 같은 아주 작은 재료 샘플을 가져와 여기에 레이저를 집중합니다. 우리는 원하는 방식으로 재료를 압축하는 매우 정확한 방식으로 시간의 함수로서 레이저 출력을 조정합니다. 재료를 통해 충격파를 날리면 상대적으로 낮은 압력에서 녹입니다. 이러한 행성 과학 응용 프로그램의 경우 물질이 행성 내부에서 고체 인 경향이 있기 때문에 그렇게하고 싶지 않습니다.

우리는 기본적으로 샘플이 앞쪽에있는 작은 금속 상자 인기구를 사용합니다. 이 상자에는 X 선에 민감한 감지기가 들어 있습니다. 재료가 프로브하려는 압력에 도달하면 샘플을 통해 전송되는 X- 레이를 생성하는 추가 레이저를 발사 한 다음 감지기가 회절 패턴을 기록합니다.

이런 종류의 시설을 걸어 다니는 기분은 어떻습니까?

NIF 건물은 하루 24 시간 촬영을합니다. 때로는 한밤중에 그곳에 가서이 복도를 걸어 터널을 통과하고 계단을 올라 회의실에 도달해야합니다. 내가 거기에 처음 몇 번 갔을 때 확실히 약간 겁이났습니다. 회의실에 도착하면 정말 좋습니다. 그들이 셔틀 발사를 준비했을 때 영화에서와 거의 비슷합니다. 모든 사람이 책상에 앉아 있고 모든 사람은 실험의 다른 측면 인 진단, 레이저 및 표적에 할당됩니다. 거대한 스크린이 있고 모든 것을 제어하는 ​​샷 디렉터가 있습니다.

초 이온 얼음 실험의 목적은 무엇입니까?

극한 조건, 약 XNUMX 메가바, 수천 켈빈 온도에서 초이 온성 얼음의 존재에 대한 오랜 예측이있었습니다. 그러나 실험적으로 이러한 조건을 실험실에서 재현하는 것은 매우 어려웠습니다. 처음에는 시도해야할지 회의적이었다고 고백해야합니다. 그러나 몇 가지 계산을 실행하고 다른 가벼운 물질 인 산화 마그네슘에 대해 수행 한 실험을 살펴 보았습니다. 나는 우리가 약간의 개선을하고 샘플의 크기를 XNUMX 배로 늘리고 더 두껍게 만들고 조금 더 길게 조사하면 작동 할 수 있다고 말했습니다. 신호를받을 수 있습니다.

성공했을 때 기분이 어땠나요? 이것은 사람들이 1980 년대부터 증명하려고했던 것인데 갑자기 당신이 그것을 보게됩니다.

재미있는 점은 데이터를 분석 할 때 내가 무엇을보고 있는지 즉시 깨닫지 못했다는 것입니다. 우리는 다른 실험을했고 우리가 조사한 압력과 온도는 조금 달랐습니다. 회절 신호가 사방에있는 것 같았고 나는 머리를 긁적이며 말했다.“이게 무슨 뜻이야? 앞뒤로 가면 안됩니다.” 나는 내가 잘못하고 있지 않은지 확인하기 위해 여러 버전의 분석을 가졌습니다. 그리고 저는 항상 같은 결과를 얻었고“좋아,이게 다야.”라고 생각했습니다. 신나는 일이었습니다.

현장의 사람들은 이미 얼음 거인과의 관계에 대해 알고 있었습니까?

초이 온성 얼음이 거대한 얼음 내부에있을 수 있다는 생각은 이미 행성의 자기장 특징 중 일부를 설명하기 위해 제시되었습니다. 일부 모델링을 수행하고 내부가 완전히 유동적 인 얼음 맨틀이 아니라 층화되어 있다면 이러한 자성 특징 중 일부를 재현 할 수 있다고 예측 한 하버드 그룹의 논문이있었습니다. 나중에 독일 그룹은이 계층화가 행성의 더 깊은 층에서 초 이온이되는 물에서 올 수 있다고 주장했습니다. 그것이 사실인지 아닌지에 대한 실험적 증거는 없었습니다. 그것이 우리 연구의 동기가되었습니다.

철에 대한 최근의 작업은 어떻게 시작 되었습니까?

큰 외계 행성의 맨틀에서 일어나는 일을 이해하는 것이 동기입니다. 우리는 지구 맨틀의 주요 구성 요소를 알고 있습니다. 우리는 코어의 액체 철 성분과 함께 대류 운동이 자기권을 생성하고 지질 구조 판, 거주 가능성의 기초입니다.

일부 외계 행성은 지구와 유사한 암석 내부 구조를 가질 것으로 예상되는데 생명체를 품을 수 있습니까?

첫 번째 단계는 지구 내부의 압력보다 압력이 높은 행성의 맨틀 내부에서 물질이하는 일을 보는 것입니다. 실험에서 산화철은 압축 할 때 더 조밀 한 구조로 상전이를 겪는 것을 보았습니다. 그 위상 전이는 지구에 존재하는 압력에서 일어나지 않으므로 이미 중요한 차이입니다. 다른 차이점은 행성이 충분히 크면 맨틀의 또 다른 구성 요소 인 산화 마그네슘이 상전이를 겪을 수 있다는 것입니다.

한 구성 요소를 살펴보고 다른 구성 요소를 살펴 보는 것이 가장 좋은 방법입니까?

우리 분야는 이제 막 시작되었으므로 하나의 구성 요소 재료를 보는 것이 두 가지를 함께 혼합하고 어떤 일이 발생하는지 보는 것보다 쉽습니다. 다음 단계는 함께 혼합하는 것입니다.

이런 실험을 할 때 어떤 걱정이 있습니까?

제가 오메가에서했던 첫 번째 실험 중 하나는 비용이 많이 드는 실험이어서 정말 스트레스를 받았어요. 정말 중요하게 만들어야합니다. 잘못된 에너지, 잘못된 타이밍, 잘못된 진단 설정과 같은 실수로 샷을 설정해야한다는 점이 강조되었습니다. 모든 것이 매우 정확하게 시간을 맞춰야하기 때문입니다. 실험에 실패 할 수있는 방법은 너무나 많으며 하나는 어리석은 실수를하는 것입니다. 그것은 내가 가진 최악의 두려움이었습니다.

당신은 걸어 다니며 내려다보고 지구 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지 생각하십니까?

나는 아래보다 위를 더 쳐다 본다. 내가 그것에 대해 생각할 때 내가 할 수있는 기회가 있다는 것은 놀랍습니다. 다른 작업과 마찬가지로 힘든 순간이 있지만 항상 내가 원하는 것을하고 있다는 느낌이 듭니다. 계속 나아가고 나쁜 것과 좋은 것을 취하는 것은 좋은 동기입니다.

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출처 : https://www.quantamagazine.org/federica-coppari-uses-a-giant-laser-to-look-inside-exoplanets-20210615/

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