Les scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory ont utilisé avec succès le laser le plus puissant au monde pour simuler et étudier l’ionisation sous pression, un processus essentiel pour comprendre la structure des planètes et des étoiles. La recherche a révélé des propriétés inattendues de la matière hautement comprimée et a des implications importantes pour l’astrophysique et la recherche sur la fusion nucléaire.

Des scientifiques ont mené des expériences en laboratoire au Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) qui fournissent de nouvelles informations sur le processus complexe d’ionisation induite par la pression dans les planètes et les étoiles géantes. Leur recherche a été publiée le 24 mai dans naturerévèle les propriétés des matériaux et le comportement de la matière sous pression extrême, offrant des implications importantes pour l’astrophysique et la recherche sur la fusion nucléaire.

« Si vous pouvez recréer les conditions qui se produisent dans un corps astral, vous pouvez réellement dire ce qui s’y passe », a déclaré le collaborateur Siegfried Glenzer, directeur de la division Haute densité d’énergie au Laboratoire national des accélérateurs SLAC du DOE. « C’est comme mettre un thermomètre dans une étoile et mesurer sa température et ce que ces conditions font aux atomes dans la matière. Cela peut nous apprendre de nouvelles façons de traiter la matière pour les sources d’énergie de fusion. »

L’équipe de recherche internationale a utilisé le laser le plus grand et le plus énergétique au monde, le National Ignition Facility (NIF), pour générer les conditions extrêmes nécessaires à l’ionisation sous pression. À l’aide de 184 faisceaux laser, l’équipe a chauffé l’intérieur de la cavité, convertissant l’énergie laser en rayons X qui chauffent une coque en béryllium de 2 millimètres de diamètre positionnée au centre. Alors que la surface extérieure de la coquille se dilatait rapidement en raison de l’augmentation de la température, l’intérieur s’accélérait vers l’intérieur, atteignant des températures d’environ deux millions de kelvins et des pressions de trois milliards d’atmosphères, créant un minuscule morceau de matière comme on en trouve dans les étoiles naines pendant quelques nanosecondes dans un laboratoire.

L’échantillon de béryllium hautement compressible, avec jusqu’à 30 fois sa densité en tant que solide environnant, a été étudié à l’aide de la diffusion des rayons X Thomson pour déduire sa densité, sa température et sa structure électronique. Les résultats ont révélé qu’après un chauffage et une pression intenses, au moins trois électrons sur quatre dans le béryllium sont passés à des états conducteurs. De plus, l’étude a révélé une diffusion élastique étonnamment faible, indiquant une faible localisation des électrons résiduels.

Le matériau à l’intérieur des planètes géantes et de certaines étoiles relativement froides est fortement comprimé par le poids des couches au-dessus. À de telles pressions élevées, dues à la haute pression, la proximité des noyaux atomiques conduit à des interactions entre les états de liaison électronique des ions voisins et éventuellement à leur ionisation complète. Alors que l’ionisation dans les étoiles brûlantes est principalement déterminée par la température, l’ionisation due à la pression domine dans les objets plus froids.

Bien qu’importante pour la structure et l’évolution des corps célestes, l’ionisation sous pression en tant que voie pour la matière hautement ionisée est mal comprise théoriquement. De plus, il est très difficile de créer et d’étudier les états extrêmes de la matière requis en laboratoire, a déclaré le physicien du LLNL Thilo Dubner, qui a dirigé le projet.

« En recréant des conditions extrêmes similaires à celles trouvées à l’intérieur des planètes et des étoiles géantes, nous avons pu observer des changements dans les propriétés des matériaux et la structure des électrons qui ne sont pas capturés par les modèles actuels », a déclaré Dubner. « Notre travail ouvre de nouveaux horizons pour étudier et modéliser le comportement de la matière sous pression extrême. L’ionisation dans le plasma dense est un facteur clé car elle affecte l’équation d’état, les propriétés thermodynamiques et le transport du rayonnement à travers l’opacité. »

La recherche a également des implications importantes pour les expériences de fusion par auto-confinement au NIF, où l’absorption et l’accordabilité des rayons X sont des facteurs clés pour optimiser les expériences de fusion à haute performance. Une compréhension complète de l’ionisation due à la pression et à la température est essentielle pour modéliser les matériaux comprimés et, finalement, pour développer une source d’énergie abondante et sans carbone via la fusion nucléaire par laser, a déclaré Dubner.

« Les capacités uniques de la National Ignition Facility sont inégalées. Il n’y a qu’un seul endroit sur Terre où nous pouvons créer, étudier et surveiller la compression intense des noyaux planétaires et des intérieurs stellaires en laboratoire, et c’est sur le plus grand laser du monde », a déclaré Bruce Remington, NIF Discovery Science programme Et le plus actif. chef. « S’appuyant sur les bases de recherches antérieures au NIF, ce travail repousse les limites de l’astrophysique de laboratoire. »

Référence : « Observation of the onset of K-shell delocalization due to pressure » par T. Döppner, M. Bethkenhagen, D. Kraus, P. Neumayer, DA Chapman, B. Bachmann, RA Baggott, MP Böhme, L. Divol, et RW Falcone, LB Fletcher, OL Landen, MJ MacDonald, AM Saunders, M. Schörner, PA Sterne, J. Vorberger, BBL Witte, A. Yi, R. Redmer, SH Glenzer et DO Gericke, 24 mai 2023, disponible ici. nature.
DOI : 10.1038/s41586-023-05996-8

Dirigée par Dubner, l’équipe de recherche du LLNL comprenait les co-auteurs Benjamin Bachmann, Laurent Devol, Otto Landin, Michael McDonald, Alison Saunders et Phil Stern.

La recherche pionnière est le résultat d’une collaboration internationale pour développer la diffusion des rayons X Thomson au NIF dans le cadre du programme de découverte scientifique du LLNL. Les collaborateurs comprenaient des scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory, de l’Université de Californie à Berkeley, de l’Université de Rostock (Allemagne),[{ » attribute= » »>University of Warwick (U.K.), GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research (Germany), Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (Germany), University of Lyon (France), Los Alamos National Laboratory, Imperial College London (U.K.) and First Light Fusion Ltd. (U.K.).