世界最亮X射线激光器发出第一束光 可为生物化学过程拍摄“分子电影”

世界最亮X射线激光器发出第一束光可为生物化学过程拍摄“分子电影”SLAC国家加速器实验室升级了其直线加速器相干光源X射线自由电子激光器。图片来源：格雷戈·斯图尔特/SLAC国家加速器实验室LCLS-Ⅱ通过一个复杂的过程产生X射线。首先，研究人员使用紫外线激光器将电子从铜板中分离出来，然后用强烈的微波脉冲加速电子，这些电子随后穿过由数千块磁铁组成的“迷宫”。在此过程中，这些电子会来回摆动，并以可预测且可控的方式发射X射线。研究人员将这些X射线脉冲引导到物体上，可以对其内部结构进行成像。LCLS-Ⅱ产生的X射线的亮度是医疗领域使用的X射线的1万亿倍，是其“前任”LCLS产生的X射线的1万倍。SLAC的迈克·邓恩解释说，X射线的亮度之所以被提高，部分原因是他们翻新了3公里长的金属管，电子会通过该带有铌内衬的金属管。当被冷却到-271℃左右时，铌可以承受前所未有的高能电子。澳大利亚乐卓博大学的纳迪亚·扎泽平指出，LCLS-Ⅱ让研究人员能以前所未有的细节观察原子尺度上的生物化学过程是如何发生的，使制作生物学过程的“分子电影”成为可能，比如哺乳动物视觉成像过程、光合作用、药物结合和基因调控等。邓恩也表示，LCLS-Ⅱ能在极短时间内产生大量明亮的X射线，可以让研究人员看到材料内部发生了什么，比如用于人工光合设备或下一代半导体的材料、超导体等。LCLS-Ⅱ是一种用途非常广泛的研究工具，就像一个强大的显微镜，可以观察从量子材料到生物系统，从催化化学到原子物理的一切细节。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1385183.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1385183.htm

科学家发现脉冲星发出有史以来能量最高的伽马射线

科学家发现脉冲星发出有史以来能量最高的伽马射线脉冲星是在超新星爆炸中壮观爆发的恒星遗留下来的尸体。爆炸会留下一颗直径仅约20公里的微小死星，它的旋转速度极快，并具有巨大的磁场。H.E.S.S.的科学家埃玛-德奥纳-威尔赫尔米（EmmadeOñaWilhelmi）解释说："这些死星几乎完全由中子组成，密度惊人：一茶匙的物质质量超过50亿吨，大约是吉萨大金字塔质量的900倍。"脉冲星发出旋转的电磁辐射束有点像宇宙灯塔。如果它们的光束扫过我们的太阳系，我们就会看到每隔一定时间就会出现的辐射闪光。这些闪光也被称为辐射脉冲，可以在电磁波谱的不同能段中搜寻到。科学家们认为，这种辐射的来源是脉冲星的磁层中产生并加速的快速电子，它们正向脉冲星的外围移动。磁层由等离子体和电磁场组成，环绕恒星并与恒星共同旋转。波兰尼古拉斯-哥白尼天文中心（CAMKPAN）的布罗内克-鲁达克（BronekRudak）说："电子在向外运动的过程中获得能量，并以观测到的辐射束的形式释放出来。"维拉脉冲星位于南天的船帆座，是电磁波谱射电波段最亮的脉冲星，也是千兆电子伏特（GeV）范围内最亮的宇宙伽马射线持续源。它每秒旋转大约11次。然而，在超过几个GeV时，它的辐射就会戛然而止，这可能是因为电子到达了脉冲星磁层的末端，并从磁层中逃逸出来。但这并不是故事的结束：通过使用H.E.S.S.进行深入观测，现在又发现了一种能量更高的新辐射成分，其能量高达数十太电子伏特（TeV）。来自南非西北大学的合著者克里斯托-文特尔（ChristoVenter）说："这比以前从这个天体中探测到的所有辐射的能量高出约200倍。这种超高能量成分出现的相位间隔与在GeV范围内观测到的相位间隔相同。然而，要达到这些能量，电子可能要比磁层走得更远，但旋转发射模式需要保持不变。"领导这项研究的法国天体粒子与宇宙学（APC）实验室的AracheDjannati-Atai说："这一结果挑战了我们以前对脉冲星的认识，需要重新思考这些天然加速器是如何工作的。""粒子在磁层内或磁层外沿磁场线加速的传统方案无法充分解释我们的观测结果。也许我们看到的是粒子在光柱之外通过所谓的磁重联过程加速，而这一过程在某种程度上仍然保留了旋转模式？但即使是这种情况，也很难解释如此极端的辐射是如何产生的"。无论如何解释，Vela脉冲星现在正式保持着迄今为止发现的伽马射线能量最高脉冲星的记录。Djannati-Atai说："这一发现打开了一个新的观测窗口，利用目前和即将出现的更灵敏的伽马射线望远镜可以探测到数十太电子伏特范围内的其他脉冲星，从而为更好地了解高磁化天体的极端加速过程铺平了道路。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1388431.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1388431.htm

NASA成像X射线偏振探测仪（IXPE）发回船底座脉冲星风星云的观测图像

NASA成像X射线偏振探测仪（IXPE）发回船底座脉冲星风星云的观测图像这张图片显示了船底座脉冲星风星云。浅蓝色代表来自NASA的成像X射线偏振探测器的X射线偏振数据。粉色和紫色对应的是美国宇航局钱德拉X射线观测站的数据，该观测站之前已经多次观测过船底座。美国宇航局的哈勃太空望远镜贡献了背景中的星星。在这张新图片中，朦胧的浅蓝色光晕对应的是船底座的首次X射线偏振数据，它来自于美国宇航局的成像X射线偏振探测器，简称IXPE。一条指向右上角的微弱的蓝色模糊线，对应于从脉冲星中以大约一半的光速射出的高能粒子的喷流。粉红色的X射线"弧线"被认为是标志着甜甜圈状区域的边缘，在那里，脉冲星的风会对高能粒子进行冲击和加速。脉冲星本身位于图像中心的白圈处。粉色和紫色对应的是美国宇航局钱德拉X射线天文台的数据，该天文台以前曾多次观测过船底座。金色的星星是由NASA的哈勃太空望远镜拍摄的。测量偏振与电磁波的组织方式有关，使科学家们对像脉冲星这样的宇宙物体如何将粒子加速到高速有了前所未有的了解。艺术家描绘的地球轨道上的IXPE资料来源：美国国家航空航天局位于阿拉巴马州亨茨维尔的美国宇航局马歇尔太空飞行中心的高级科学家菲尔-卡雷特说："通过IXPE，我们正在使用像船底这样的极端天体作为实验室来研究天体物理学中一些最紧迫的问题，例如在恒星爆炸后很久，粒子如何被弹射到接近光速。"在最近的一项研究中，科学家们对他们在船底脉冲星风星云的X射线中发现的高度偏振感到惊讶。IXPE对这个天体的观测结果于12月发表在《自然》杂志上。《自然》研究的主要作者、中国广西南宁的广西大学教授、曾在罗马的意大利国家天体物理研究所/空间天体物理学和行星学研究所（INAF/IAPS）担任博士后研究员的谢飞说："这是迄今为止在天体X射线源中测量到的最高程度的极化。来自美国宇航局成像X射线偏振探测仪（IXPE）对船底脉冲星风星云的观测图像。颜色代表不同的X射线强度，其中最亮的区域为红色，最暗的区域为蓝色。黑线表示基于IXPE数据的磁场方向，银线表示基于澳大利亚望远镜紧凑型阵列的无线电数据的磁场方向。灰色的等值线显示了来自钱德拉数据的X射线强度。脉冲星位于最亮X射线发射的中心附近。资料来源：Xie等人，2022年（自然）。高极化意味着电磁场组织良好；它们在特定的方向上一字排开，并且取决于它们在星云中的位置。更重要的是，IXPE探测到的X射线来自于在脉冲星风星云的磁场中旋转的高能电子，称为"同步辐射"。高度偏振的X射线意味着这些磁场也必须是组织良好的。参与IXPE数据分析的斯坦福大学天体物理学家RogerW.Romani说："与周围有一层物质外壳的超新星残骸相比，X射线的高偏振性表明电子没有被湍流冲击加速，这在其他X射线源中似乎很重要。相反，必须有一些其他的过程参与其中，例如磁重联，这涉及到磁场线的断裂和连接。这是一种磁能被转换为粒子能量的方式。"IXPE数据还表明，磁场在脉冲星的赤道周围排列成一个光滑的甜甜圈状结构。这种形状符合科学家的预期。罗马INAF/IAPS的研究员AlessandroDiMarco说："这个IXPE的X射线偏振测量为船底座脉冲星风星云的谜题增加了一块缺失的部分，他为数据分析做出了贡献。通过以前所未有的分辨率进行测绘，IXPE揭示了中心区域的磁场，显示出与外部星云的无线电图像获得的结果一致。"船底脉冲星距离地球约1000光年，直径约15英里（25公里），每秒旋转11次，比直升机旋翼还快。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1349037.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1349037.htm

再现“天王星之雨”：X射线激光器可将塑料转化为钻石

再现“天王星之雨”：X射线激光器可将塑料转化为钻石科学家们已经把塑料变成了钻石。该团队使用高功率激光器，对PET样品（塑料瓶中使用的常见材料）进行扫描，以产生强烈的热量和压力，形成微小的钻石，这些钻石被认为与天王星和海王星等行星上自然降下的形成原理相同。在地球上，钻石因其稀有性而受到珍视（即使这种情况可能正在改变），但在其他星球上，它们可能看起来像岩石一样常见。在天王星和海王星这样的冰巨行星上，人们认为极端的压力会压缩氢和碳等元素，形成固体钻石，然后像雨一样通过大气层落下。这种现象还没有被直接探测到，但在2017年，一个科学家团队报告说，他们在实验室里重新创造了这个过程。他们是通过向碳氢化合物材料的样品发射世界上最强大的X射线激光器--利纳克相干光源（LCLS）来实现的。这需要快速将它们加热到高达6000℃（10800°F）的温度，并产生几百万个大气压的强大冲击波，形成微小的"纳米钻石"。尽管实验表明这在技术上是可行的，但该团队表示，最初的碳氢化合物材料如聚苯乙烯并没有准确模拟这些寒冷行星内部存在的元素，氧气也是大量存在的，因此研究人员调查了其他可以将这一关键元素引入混合的材料。研究人员最终选择了PET，一种常用于食品和饮料包装的塑料，因其在碳、氢和氧之间有一个良好的平衡。研究小组重复了这一实验，用LCLS对PET薄膜样品进行扫描，然后使用两种不同的成像技术，一方面检查纳米钻石是否形成，而且还可以检查它们增长的速度和规模。最终，他们检测到的钻石密度达每立方厘米3.87克。该研究的作者DominikKraus说："氧气的作用是加速碳和氢的分裂，从而鼓励纳米钻石的形成。这意味着碳原子可以更容易地结合并形成钻石。"这项研究不仅为冰巨行星上的钻石雨假说提供了现实依据，而且研究小组表示，它还展示了这些微小钻石的一种新的潜在制造技术，这些钻石可用于工业磨料、抛光剂，也许有一天还可用于高灵敏度的量子传感器。这项研究发表在《科学进展》杂志上。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1312459.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1312459.htm

等离子体脉冲有望成为现实生活中的"冷冻射线"

等离子体脉冲有望成为现实生活中的"冷冻射线"冷冻射线利用等离子脉冲带走热量不管是为了勒索一座城市的赎金，还是为了在咖啡店不排队，冷冻射线都是漫画书和电影中的一大亮点。它们也让工程师们头疼不已，因为它们不仅违反了热力学第二定律，还把定律的头塞进了马桶，直到现在。等离子体物理学的一项新进展在提供实用的冷冻射线方面大有可为，美国空军已向霍普金斯大学的热工程实验与模拟实验室（ExSiTELab）拨款75万美元，用于一个为期三年的项目，以充分开发这项技术的潜力。霍普金斯大学的衍生公司LaserThermal将建造一个原型。通常情况下，利用等离子体冷却东西的想法就像用冰来烧烤一样合乎逻辑。等离子体是一种电离气体，其温度可以达到太阳温度的数倍，但它们也有一些令人惊讶的能力。其中之一就是，尽管温度很高，但等离子体刚产生时可以与其他物质相互作用，产生冷却效果。脉冲等离子体的能量流与目标表面发生物理、化学和电磁相互作用，产生一种效应，使表面吸收的水分子和二氧化碳分子蒸发。这将带走能量并使表面迅速冷却几十度。脉冲等离子体可防止其抵消冷却效果。用于产生等离子体的激光设备弗吉尼亚大学霍普金斯说："因此，当我们开启等离子体时。可以立即测量等离子体照射到的地方的温度，然后观察表面的变化，表面先冷却，然后升温。我们只是在某种程度上对为什么会发生这种情况感到困惑，因为这种情况一直在重复发生。我们没有任何信息可以利用，因为之前没有任何文献能够像我们这样精确地测量温度变化。没有人能够如此迅速地做到这一点。"美国空军和太空部队之所以对这项技术感兴趣，是因为在太空或极高海拔地区冷却电子设备存在问题。通常的冷却方法是让水或空气等流体在元件周围循环，但在没有空气，当然也没有水的地方，这种方法是不可能实现的。相反，电子元件被放置在金属冷却板上，将热量导入散热器。由于这种方法既笨重又低效，人们希望霍金斯的冷冻射线能提供一种替代方法。其基本构想是用一个带有传感器的机械臂，将电路中的热点锁定，然后用冷风将其吹走。然而，还有大量工作要做。目前，该工艺使用从美国海军借来的设备和氦作为等离子介质。下一步是制造出更紧凑、更轻的原型，同时探索其他可能更有效的气体。这项研究发表在《自然-通讯》和《ACSNano》上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1382453.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1382453.htm

科学家们正为美国最强大的激光器ZEUS的首次实验做准备

科学家们正为美国最强大的激光器ZEUS的首次实验做准备美国本周将开启高功率激光实验的新时代，科学家们正在为密歇根大学的Zetawatt等效超短脉冲激光系统(ZEUS)的首次实验进行最后的准备工作。该仪器被描述为美国最强大的激光系统，它将帮助研究人员探索广泛的现象，包括量子物理学、太空和下一代癌症治疗。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1316535.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1316535.htm