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在极端的温度和压力下，原子和分子的行为表现会非常不同。虽然这种极端条件下的物质并不存在于地球上，但它却在宇宙中大量存在，尤其是在行星和恒星的内部深处。而了解原子在高压条件下的反应——这一领域被称为“高能密度物理学”（HEDP）——能够为科学家在行星科学、天体物理学、聚变能和国家安全等领域提供深入的宝贵见解。另外，高能辐射科学（HED）领域中的一个重要问题是：在高压条件下，物质如何能以不同于我们传统理解的方式发射或吸收辐射。
据美国“物理学组织”网站4月24日消息称，美国罗彻斯特大学激光能量学实验室的科学家、HEDP理论组组长Suxing Hu的团队和法国的同行们在《自然通讯》杂志发文宣布，他们通过应用物理理论和运算结果，预测出在HEDP条件下原子和分子内部辐射传输时存在两种新现象：种间辐射跃迁（IRT）和偶极子选择规则的失效。
这项研究成果增强了学界对HEDP的理解，并可能揭示出更多关于恒星和其他天体在宇宙中如何演化的信息。
辐射跃迁，是一个发生在原子和分子内部的物理过程，在这个过程中，它们的单个或数个电子可以通过发射（即辐射）或吸收光子在不同能级之间“跃迁”。
科学家们发现，对于我们日常生活中的物质来说，这种跃迁通常不会发生在不同的原子和分子之间。不过，Hu的团队预测，当原子和分子被置于HED条件下时，它们会被挤压得非常紧密，彼此之间由于变得非常接近而让辐射跃迁可能涉及相邻的原子和分子。
Hu教授介绍道：“也就是说，电子现在可以从一个原子的能级跃迁到邻近原子的能级。”
具体说来，当电子跃迁遵循所谓的偶极子选择规则时，辐射跃迁就会很容易发生。然而，正如Hu和同事们的发现那样，当物质被如此紧密地挤压到奇特的HED状态时，偶极子选择规则常常会被打破。
Hu教授解释道：“在恒星中心位置的极端条件下，以及在实验室进行的各种聚变实验中，非偶极子X射线的发射和吸收是可以发生的。这超出了我们以前的想象。”
该组研究人员利用罗切斯特大学综合研究计算中心（CIRC）和激光能量学实验室（LLE）的超级计算机进行计算。通过使用密度泛函理论（DFT）进行研究——DFT提供了复杂系统中原子、分子之间键合的量子力学特征描述，其结果表明，这些极端物质系统的X射线光谱波段上出现了新的发射、吸收谱线。它们来自以前未知的IRT通道和偶极子选择规则的失效。
Hu教授评论道：“如果这些新发现在实验中被证明是正确的，那么它们将深刻地改变目前在HED材料的特殊领域内如何处理辐射传输的问题。这些由DFT预测的发射和吸收新通道在目前教科书中从未被提到过。”
科界原创
编译：朱明逸
审稿：阿淼
责编：唐林芳
期刊来源： 《自然通讯》
期刊编号： 2041-1723
原文链接：
https://phys.org/news/2020-04-high-energy-density-physics-insights-universe.html
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