यह प्रकृति की सबसे कठिन चालों में से एक है कि पृथ्वी का गहरा आंतरिक भाग सूर्य की सतह जितना गर्म है। वहां मौजूद लोहे का गोला भी अत्यधिक दबाव में है: पृथ्वी की सतह पर जितना हम अनुभव करते हैं उससे लगभग 360 मिलियन गुना अधिक दबाव। लेकिन वैज्ञानिक कैसे अध्ययन कर सकते हैं कि पृथ्वी के केंद्र में लोहे का क्या होता है जब यह काफी हद तक अप्राप्य है?
लेज़रों की एक जोड़ी के साथ।
पृथ्वी एकमात्र ऐसा पिंड नहीं है जिसके पास लोहे का कोर है। बुध, शुक्र और मंगल उनके पास भी हैं। वास्तव में, कोई भी दुनिया जो कभी पिघली हुई थी, उसमें लोहे की कोर होने की संभावना होती है, क्योंकि लोहे का घनत्व इसे दुनिया के गुरुत्वाकर्षण के केंद्र की ओर गिरा देता है। खगोलविदों का मानना है कि कुछ लोहे के क्षुद्रग्रह वास्तव में उन ग्रहों के कोर हैं जो टकराव के कारण अपना शेष द्रव्यमान खो चुके हैं।
जब दो ग्रह आपस में टकराते हैं तो लोहे का क्या होता है? पृथ्वी के मूल में लोहे का क्या होता है? दोनों ही स्थितियों में, लोहा अत्यधिक गर्मी और दबाव के अधीन होता है। इन चरम स्थितियों में वैज्ञानिकों को लोहे के बारे में जो कुछ पता है, वह कम तापमान और दबाव वाले प्रयोगशाला प्रयोगों से आता है। लेकिन डीओई के एसएलएसी (स्टैनफोर्ड लीनियर एक्सेलेरेटर सेंटर) के शोधकर्ता लोहे के व्यवहार का परीक्षण करने के लिए पृथ्वी के केंद्र में चरम सीमाओं को फिर से बनाना चाहते थे।
यूनिवर्सिटी डी लिले के सेबेस्टियन मर्केल के नेतृत्व में शोधकर्ताओं ने अपने निष्कर्षों की रिपोर्ट करते हुए एक पेपर प्रकाशित किया। कागज का शीर्षक है ' शॉक कंप्रेशन के तहत एचसीपी-आयरन स्ट्रेंथ और प्लास्टिसिटी का फेमटोसेकंड विज़ुअलाइज़ेशन 'और यह फिजिकल रिव्यू लेटर्स जर्नल में प्रकाशित हुआ है।
पृथ्वी की सतह पर सामान्य परिस्थितियों में, लोहे को प्राकृतिक रूप से एक निश्चित तरीके से व्यवस्थित किया जाता है। परमाणुओं को नैनोस्कोपिक क्यूब्स में व्यवस्थित किया जाता है, जिसमें केंद्र में एक लोहे का परमाणु और प्रत्येक कोने में एक होता है। जब पर्याप्त रूप से उच्च दबाव में, लोहा हेक्सागोनल प्रिज्म में पुनर्व्यवस्थित हो जाता है। वह विन्यास अधिक लोहे को एक ही स्थान पर संपीड़ित करने की अनुमति देता है।
जब पर्याप्त दबाव में लोहा हेक्सागोनल प्रिज्म बनाता है। छवि क्रेडिट: एस. मर्केल/लिले विश्वविद्यालय, फ्रांस
इतना तो पहले से ही पता है।
लेकिन क्या होता है जब दबाव और भी बढ़ जाता है, पृथ्वी के बाहरी कोर के समान स्तर तक? इसका पता लगाने के लिए शोधकर्ताओं की टीम ने दो लेजर का इस्तेमाल किया।
पहला लेज़र एक ऑप्टिकल लेज़र था जिसका उपयोग शॉक वेव को प्रेरित करने के लिए किया जाता था जो प्रयोगशाला में लोहे को अत्यधिक तापमान और दबाव के अधीन करता था। दूसरा लेजर एसएलएसी का था लिनाक सुसंगत प्रकाश स्रोत (एलसीएलएस) एक्स-रे फ्री-इलेक्ट्रॉन लेजर। एलसीएलएस ने टीम को परमाणु स्तर पर लोहे का निरीक्षण करने की अनुमति दी क्योंकि यह अत्यधिक परिस्थितियों के अधीन था।
एसएलएसी में हाई-एनर्जी डेंसिटी साइंस (एचईडीएस) डिवीजन के एक वैज्ञानिक सह-लेखक एरियाना ग्लीसन कहते हैं, 'हमने आंतरिक मूल स्थितियां नहीं बनाईं।' 'लेकिन हमने ग्रह के बाहरी कोर की स्थितियों को हासिल किया, जो वास्तव में उल्लेखनीय है।'
अन्य सामग्री जैसे क्वार्ट्ज, टाइटेनियम, जिरकोन और कैल्साइट का परीक्षण इसी तरह से किया गया है। लेकिन इस तरह के अत्यधिक तापमान और दबाव में लोहे को कभी किसी ने नहीं देखा था।
'जैसा कि हम इसे आगे बढ़ाना जारी रखते हैं, लोहे को नहीं पता कि इस अतिरिक्त तनाव का क्या करना है,' ग्लीसन कहते हैं। 'और उसे उस तनाव को दूर करने की आवश्यकता है, इसलिए वह ऐसा करने के लिए सबसे कुशल तंत्र खोजने की कोशिश करता है।'
उस सारे तनाव के जवाब में, लोहा कुछ ऐसा करता है जिसे ' ट्विनिंग । '
'हम एक सेकंड के एक अरबवें हिस्से में माप करने में सक्षम थे। परमाणुओं को फ्रीज करना जहां वे उस नैनोसेकंड में हैं, वास्तव में रोमांचक है। ”
एरियाना ग्लीसन, सह-लेखक, एसएलएसी।
ट्विनिंग तब होती है जब परमाणु खुद को इस तरह से पुनर्व्यवस्थित करते हैं कि वे क्रिस्टल जाली बिंदुओं को सममित रूप से साझा करते हैं। विभिन्न सामग्रियां विभिन्न प्रकार के जुड़वाँ को प्रदर्शित करती हैं, सभी अच्छी तरह से समझे गए कानूनों द्वारा शासित हैं। लोहे के मामले में, हेक्सागोनल प्रिज्म लगभग 90 डिग्री की तरफ घूमते हैं। लगाव के बिंदु को जुड़वां विमान या संरचना सतह कहा जाता है।
जब लोहे के जुड़वाँ इस तरह होते हैं, तो यह असाधारण रूप से मजबूत हो जाता है। सर्वप्रथम। लेकिन जैसे-जैसे समय बीतता है, वह ताकत गायब हो जाती है।
ग्लीसन ने कहा, 'ट्विनिंग लोहे को अविश्वसनीय रूप से मजबूत होने की अनुमति देता है - जितना हमने पहले सोचा था उससे अधिक मजबूत - इससे पहले कि यह बहुत अधिक समय के पैमाने पर बहना शुरू हो जाए।'
यह खोज मानव बाल के एक कतरा के आकार के लोहे के नमूने के इर्द-गिर्द घूमती है। अत्यधिक गर्मी और दबाव में ऑप्टिकल लेजर द्वारा लोहे को झटका लगा। में एक प्रेस विज्ञप्ति , प्रमुख लेखक सेबेस्टियन मर्केल ने वर्णन किया कि प्रयोगों के दौरान यह कैसा था। 'नियंत्रण कक्ष प्रायोगिक कक्ष के ठीक ऊपर है,' उन्होंने कहा। 'जब आप डिस्चार्ज को ट्रिगर करते हैं, तो आप एक जोरदार पॉप सुनते हैं।'
फिर एलसीएलएस ने नैनोसेकंड तराजू में लोहे की प्रतिक्रिया को देखा कि परमाणुओं ने खुद को कैसे पुनर्व्यवस्थित किया। प्रयोग से पहले, टीम को यह नहीं पता था कि लोहा कितनी तेजी से प्रतिक्रिया देगा और क्या वे परिवर्तनों को मापने में सक्षम होंगे। 'हम एक सेकंड के एक अरबवें हिस्से में माप करने में सक्षम थे,' सह-लेखक ग्लीसन ने कहा। 'परमाणुओं को फ्रीज करना जहां वे उस नैनोसेकंड में हैं, वास्तव में रोमांचक है।'
फिजिकल रिव्यू लेटर्स में एक संपादक द्वारा टीम के परिणामों पर प्रकाश डाला गया। एक टिप्पणी में, संबंधित संपादक मेरिक स्टीफेंस ने कहा, 'शुरुआत में, सदमे की लहर ने लोहे की संरचना को शरीर-केंद्रित-घन से हेक्सागोनल-क्लोज़-पैक में बदल दिया, कुछ ऐसा होने की टीम को उम्मीद थी। हेक्सागोनल संरचना तब उपज देने से पहले कई नैनोसेकंड के लिए विकृत रूप से विकृत हो गई, जिसके बाद उसने खुद को जुड़वां क्रिस्टल के जोड़े में पुनर्व्यवस्थित करके तनाव को समायोजित किया- एक प्रक्रिया जो उपज तनाव से नीचे तनाव के बाद भी जारी रही।
शोधकर्ताओं के अनुसार, इतनी तेजी से होने वाले परिवर्तनों को मापने में सक्षम होना अपने आप में एक सफल परिणाम है। 'तथ्य यह है कि जुड़वां समय के पैमाने पर होता है कि हम इसे अपने आप में एक महत्वपूर्ण परिणाम के रूप में माप सकते हैं,' मर्केल ने कहा।
इस प्रयोग से पहले, लोहे के बारे में हमारी अधिकांश समझ तत्व को कम चरम स्थितियों में देखने से आती है और फिर इसे आगे की ओर, उच्च चरम पर मॉडलिंग करती है। लेकिन ये परिणाम एक महत्वपूर्ण कदम हैं।
'अब हम वास्तव में मौलिक विरूपण तंत्र के लिए कुछ भौतिकी मॉडल पर एक अंगूठे ऊपर, अंगूठे दे सकते हैं,' ग्लीसन कहते हैं। 'यह मॉडलिंग के लिए हमारे पास कुछ भविष्य कहनेवाला क्षमता का निर्माण करने में मदद करता है कि सामग्री चरम स्थितियों में कैसे प्रतिक्रिया करती है।'
ग्लीसन का कहना है कि नव-उन्नत एलसीएलएस ने इस प्रयोग को सफल होने दिया, और इससे और आगे बढ़ेगा। 'भविष्य अब उज्ज्वल है कि हमने इन मापों को बनाने का एक तरीका विकसित किया है,' ग्लीसन कहते हैं। 'एलसीएलएस-द्वितीय परियोजना के हिस्से के रूप में हाल ही में एक्स-रे अंडुलेटर अपग्रेड उच्च एक्स-रे ऊर्जा की अनुमति देता है - मोटे मिश्र धातुओं और सामग्रियों पर अध्ययन को सक्षम करता है जिनमें कम समरूपता और अधिक जटिल एक्स-रे फिंगरप्रिंट होते हैं।'
इस प्रयोग ने ऐसे परिणाम दिए जो पहले कभी किसी ने नहीं देखे थे। लेकिन सफलता के बाद भी, टीम पृथ्वी के आंतरिक भाग में चरम स्थितियों की नकल करने में सक्षम नहीं थी। वे केवल बाहरी कोर की नकल करने में सक्षम थे। लेकिन भविष्य में, यह बदल जाएगा।
ग्लीसन कहते हैं, '... हम एक नई फ्लैगशिप पेटवाट लेजर सुविधा के साथ आगे बढ़ने की मंजूरी के साथ अधिक शक्तिशाली ऑप्टिकल लेजर प्राप्त करने जा रहे हैं, जिसे एमईसी-यू के नाम से जाना जाता है।' 'यह भविष्य के काम को और भी रोमांचक बना देगा क्योंकि हम बिना किसी समस्या के पृथ्वी की आंतरिक स्थितियों को प्राप्त करने में सक्षम होंगे।'
नया लेजर एसएलएसी के मौजूदा एलसीएलएस से जुड़ी एक भूमिगत सुविधा में रखा जाएगा। पेटावाट लेजर एक मिलियन बिलियन वाट का उत्पादन करेगा और कल्पनाशील सबसे चरम वातावरण में सामग्री का अध्ययन करने में सक्षम होगा। ऊर्जा विभाग के अनुसार, चरम स्थितियों में मामला अपग्रेड (एमईसी-यू) '... संलयन ऊर्जा का उत्पादन करने और पृथ्वी पर खगोलभौतिकीय घटनाओं की एक विस्तृत श्रृंखला को दोहराने के लिए आवश्यक स्थितियों की हमारी समझ में नाटकीय रूप से सुधार करने का वादा करता है।'
एसएलएसी के लिनैक कोहेरेंट लाइट सोर्स (एलसीएलएस) के साथ मिलकर एक नई भूमिगत प्रायोगिक सुविधा में, दो अत्याधुनिक लेजर सिस्टम - एक उच्च शक्ति वाला पेटवाट लेजर और एक उच्च ऊर्जा किलोजूल लेजर - समर्पित दो नए प्रयोगात्मक क्षेत्रों में फीड होगा। गर्म घने प्लाज़्मा, खगोल भौतिकी और ग्रह विज्ञान के अध्ययन के लिए। (गिलिस डायर/एसएलएसी राष्ट्रीय त्वरक प्रयोगशाला)
पृथ्वी के मूल में चरम स्थितियों में लोहे की स्थिति के बारे में बहुत सारी सोच और सिद्धांत हैं। वैज्ञानिकों ने अनुमान लगाया कि जुड़वाँ बच्चे होंगे, जैसा कि अन्य सामग्रियों के लिए होता है, लेकिन निश्चित नहीं थे। अब उस सोच में से कुछ का समर्थन करने और अन्य निष्कर्षों का खंडन करने के लिए प्रयोगात्मक डेटा है।