In het uitgestrekte universum drijven onbekende miljarden vreemde werelden rond andere sterren. Velen van hen zijn heel anders dan alles in ons zonnestelsel. Terwijl astronomen hopen gebruik te kunnen maken van immense opkomende observatoria om hun buitenkant beter te kunnen bekijken, heeft Federica Coppari 's werelds grootste laser gebruikt om hun binnenkant te onderzoeken.

Coppari comprimeert bekende stoffen, waaronder stenen en water, tot nieuwe vormen. Haar werk heeft inzicht opgeleverd in de innerlijke werking van bevroren reuzen zoals Uranus en Neptunus, evenals in de potentiële bewoonbaarheid van superaardes - rotsachtige planeten die de onze in de schaduw stellen.

Twee jaar geleden bevestigden zij en haar collega's het bestaan ​​van “superionisch ijs”, een hete, zwarte vorm van de normaal kille substantie. Deze lang gezochte fase is misschien wel een van de meest voorkomende vormen van ijs in het universum, te vinden in ijsreuzen, zowel in ons eigen zonnestelsel als elders. Het werk heeft geholpen bij het oplossen van puzzels over de magnetische velden van dergelijke werelden.

Het is hier, waar het aardse en het hemelse elkaar ontmoeten, dat Coppari gedijt. "Hoe onze experimenten in het laboratorium iets kunnen zeggen over wat daarboven gebeurt - dat is fascinerend," zei ze.

Zoals veel kinderen maakte Coppari een periode door waarin ze astronaut wilde worden. Maar geleid door haar leraren, realiseerde ze zich dat ze meer geïnteresseerd was in het uitzoeken "waarom de dingen zijn zoals ze zijn en waarom de dingen gebeuren zoals ze gaan." Die zoektocht bracht haar uit Appignano, het kleine stadje in Italië waar ze opgroeide, naar Parijs en vervolgens naar de VS, waar ze momenteel wetenschapper is aan het Lawrence Livermore National Laboratory in Californië.

Daar werkt ze met de National Ignition Facility, of NIF, een laser ter grootte van drie voetbalvelden. NIF was oorspronkelijk bedoeld om te helpen de voorraad thermonucleaire wapens van het land in stand te houden en om de droom na te streven om kernfusie voor energie te gebruiken. Coppari gebruikt de intense ontploffing van de straal om lasergestuurde compressie-experimenten uit te voeren. Elke laser "shot" duurt misschien maar een nanoseconde, maar het is in staat om de druk in de kern van een enorme planeet te recreëren.

Meer recentelijk maakte ze deel uit van een team dat de Omega Laser Facility van de Universiteit van Rochester gebruikte om monsters van ijzeroxide - een van de hoofdbestanddelen van de mantel van onze planeet - te comprimeren tot 7 miljoen keer de atmosferische druk van de aarde. Coppari en haar collega's waren in staat om informatie te verzamelen die kan worden gebruikt om superaardse interieurs te modelleren, en hielpen bij het achterhalen van details over hun magnetische velden, aardkorstbewegingen en misschien zelfs hun geschiktheid voor levende wezens.

Quanta Magazine sprak met Coppari over hoe het aardse inzicht kan geven in het hemelse. Het interview is voor de duidelijkheid ingekort en bewerkt.

Waar ben je opgegroeid?

Het is een kleine, zeer rustige stad — zo'n 4,000 mensen — in het midden van Italië, halverwege tussen de bergen en de Adriatische Zee. Als je niet op zo'n plek was opgegroeid, zou je zeggen dat het schattig is. Maar als je daar opgroeit, zie je wat er niet zo opwindend is aan het zijn in een stad waar iedereen alles van iedereen weet. Al vroeg tijdens mijn tienerperiode had ik het gevoel dat ik moest zien wat er in de buurt was.

Ik ging naar de universiteit niet ver van waar ik ben opgegroeid. Toen kreeg ik weer het gevoel dat ik wat verder weg wilde kijken. De kans kwam om te werken met een professor die een gezamenlijke functie had in Camerino, Italië, en ook in Parijs, Frankrijk. Ik heb een paar maanden in Parijs kunnen doorbrengen in een laboratorium voor mineralogie en hogedrukfysica, en zo begon ik in hogedrukfysica te werken.

Wat zorgde ervoor dat je erdoor aangetrokken werd?

In het dagelijks leven ervaar je de veranderingen die materialen ondergaan wanneer ze worden verwarmd - we zien water bevriezen en koken. Maar de effecten van druk zijn moeilijker te vatten. Het was leuk om te zien hoe gemakkelijk het is om de eigenschappen van een materiaal te veranderen door een beetje druk uit te oefenen.

Voldeed Parijs aan de behoefte om de wereld te zien?

Een klein beetje. In Parijs is alles wat je kunt zoeken: cultuur, entertainment, theater, muziek. Maar ook een geweldig laboratorium, en daarom ben ik gebleven. Ik mocht vier jaar in Parijs doorbrengen. Ik heb goede herinneringen, hoewel ik na een tijdje de grote stad beu werd, omdat je het gevoel hebt dat je altijd bezig bent. Bovendien heb je dit ideale beeld van Parijs als mooie stad, maar ik denk dat ik in een jaar tijd maar 10 dagen volle zon heb geteld. De rest is bewolkt en grijs.

Hoe ben je bij Livermore terechtgekomen?

Mijn doctoraat adviseur in Parijs kende een van de onderzoekswetenschappers van Livermore die was gaan werken met dynamische compressie - het gebruik van lasers om hoge temperaturen en drukken te genereren. Voor mij was het een soort verandering in het veld. Ik moest leren over schokfysica, die ik nooit echt had bestudeerd. Maar ik dacht dat het niet zo'n grote sprong zou zijn en ik probeerde het. Mijn eerste keer in de VS was behoorlijk overweldigend. Ik vond het leuk, hoewel ik op dat moment niet helemaal begreep waar ik aan begon.

Wat bedoelt u?

Ik bedoel hoe dingen werken als je lasers gebruikt om materialen te comprimeren. Ze vertelden me: “We gebruiken lasers. Je mag materialen persen en we proberen deze compressietechnieken te combineren met röntgendiagnostiek, zodat je ter plaatse kunt zien wat de compressie met het materiaal doet.” Het klinkt eenvoudig genoeg, maar als je in het probleem duikt, is het een beetje ingewikkelder. Dat is wat ik in het begin niet kreeg: ik moest een hele nieuwe natuurkunde leren, en een hele nieuwe diagnostiek, en een nieuwe manier om gegevens te analyseren, en nieuwe manieren om monsters voor te bereiden.

Hoe voer je een van deze experimenten uit?

Kortom, we nemen een klein stukje materiaal - zoals een dikte van een micron - en we richten er lasers op. We stemmen het laservermogen af ​​als functie van de tijd op een zeer nauwkeurige manier die het materiaal comprimeert op de manier die we willen. Als we gewoon een schokgolf door het materiaal blazen, smelten we het bij relatief lage druk. Voor deze planetaire wetenschappelijke toepassingen willen we dat niet doen, omdat materialen de neiging hebben om vast te zitten in planeten.

We gebruiken een instrument dat in feite een kleine metalen doos is, met het monster op de voorkant. Deze doos bevat röntgengevoelige detectoren. Wanneer het materiaal de druk heeft bereikt die we willen onderzoeken, vuren we extra lasers af die röntgenstralen genereren die door het monster worden verzonden, en vervolgens registreren de detectoren de diffractiepatronen.

Hoe voelt het om door zo'n instelling te lopen?

Het NIF-gebouw heeft 24 uur per dag opnamen. Soms moet je er midden in de nacht heen en door deze gang, door een tunnel, een trap op om bij de vergaderruimte te komen. Het was zeker een beetje intimiderend de eerste paar keer dat ik er ging. Als je eenmaal in de vergaderruimte bent, is het echt leuk. Het ziet er bijna uit als in de films wanneer ze zich opstellen voor de lancering van een shuttle. Je hebt alle mensen aan een bureau zitten en iedereen krijgt een ander aspect van het experiment toegewezen: diagnostiek, lasers en doelwit. Je hebt van die enorme schermen, en dan is er nog de regisseur, die alles controleert.

Wat was het doel van je experimenten op superionisch ijs?

Er was een al lang bestaande voorspelling van het bestaan ​​van superionisch waterijs onder extreme omstandigheden, ongeveer twee megabar en duizenden graden Kelvin. Maar experimenteel was het een hele uitdaging om die omstandigheden in een laboratorium na te bootsen. In het begin moet ik bekennen dat ik sceptisch was of we het moesten proberen. Maar toen deed ik wat berekeningen en keek naar experimenten die ik had gedaan met een ander licht materiaal, magnesiumoxide. Ik zei dat als we wat verbeteringen doorvoeren en de grootte van het monster met een factor twee vergroten, het dikker maken en misschien wat langer onderzoeken, het zou kunnen werken. We kunnen een signaal krijgen.

Hoe voelde het toen je slaagde? Dit was iets wat mensen sinds de jaren tachtig probeerden te bewijzen, en plotseling zie je het.

Het grappige is dat ik tijdens het analyseren van de gegevens niet meteen besefte waar ik naar keek. We hadden verschillende experimenten en de drukken en temperaturen die we aan het onderzoeken waren, waren een beetje anders. Het diffractiesignaal leek overal te zijn, en ik krabde op mijn hoofd en zei: 'Wat betekent dit? Het mag niet heen en weer gaan.” Ik had veel versies van de analyse om er zeker van te zijn dat ik niets verkeerd deed. En toen kreeg ik altijd hetzelfde resultaat, en ik dacht: "OK, dit is het." Het was spannend.

Wisten mensen in het veld al van deze connectie met ijsreuzen?

Het idee dat superionisch ijs zich in de ijsreuzen zou kunnen bevinden, werd al naar voren gebracht om enkele van de magnetische veldkenmerken van de planeten te verklaren. Er was een paper van een Harvard-groep die wat modellering had gedaan en voorspelde dat, als het interieur niet alleen een volledig vloeibare, ijskoude mantel was, maar gelaagd was, je enkele van deze magnetische kenmerken zou kunnen reproduceren. Later betoogde een Duitse groep dat deze gelaagdheid kan komen doordat water superionisch wordt in de diepere lagen van de planeet. Er was geen experimenteel bewijs voor of dat waar was of niet. Dat motiveerde ons onderzoek.

Het recentere werk over ijzer, hoe is dat ontstaan?

De motivatie daar is om te begrijpen wat er gebeurt in de mantel van grote extrasolaire planeten. We kennen de belangrijkste componenten van de aardmantel. We weten dat hun convectiebewegingen, samen met een vloeibaar-ijzercomponent van de kern, de magnetosfeer genereren en tektonische platen, die de basis vormen voor bewoonbaarheid.

Van sommige extrasolaire planeten wordt verwacht dat ze een rotsachtige binnenstructuur hebben die lijkt op de aarde, dus kunnen ze leven herbergen?

De eerste stap is kijken wat de materialen doen in de mantel van de planeet, waar de druk hoger is dan die in de aarde. In het experiment zagen we dat ijzeroxide een faseovergang ondergaat naar een dichtere structuur wanneer we het comprimeren. Die faseovergang vindt niet plaats bij de drukken die in de aarde bestaan, dus dat is al een belangrijk verschil. Het andere verschil is dat, als de planeet groot genoeg is, magnesiumoxide - wat een ander onderdeel van de mantel is - die faseovergang kan ondergaan.

Is dit de beste benadering, om naar het ene onderdeel te kijken en dan naar het andere onderdeel?

Ons vakgebied is nog maar net begonnen, dus kijken naar één componentmateriaal is gemakkelijker dan de twee samen te voegen en te kijken wat er gebeurt. De volgende stap is om ze door elkaar te mengen.

Wat zijn enkele zorgen bij het doen van een experiment als dit?

Een van de eerste experimenten die ik deed bij Omega, ik was echt gestrest omdat het een duur experiment is, en in een shotdag krijg je 14 experimenten. Je moet er echt rekening mee houden. Ik werd benadrukt dat ik de opname met een fout zou maken, zoals de verkeerde energie, de verkeerde timing, de verkeerde diagnostische opstelling, omdat alles super nauwkeurig moet worden getimed. Er zijn zoveel manieren waarop je een experiment kunt mislukken, en een daarvan maakt domme fouten. Dat was de ergste angst die ik had.

Loop je rond en kijk je naar beneden en denk je na over wat er binnen in de aarde gebeurt?

Ik kijk meer naar boven dan naar beneden. Het is ongelooflijk wat ik de kans krijg om te doen als ik erover nadenk. Net als bij elk ander werk zijn er moeilijke momenten, maar het geeft me altijd het gevoel dat ik doe wat ik wil. Het is een goede motivatie om verder te gaan en het slechte en het goede te nemen.