Le laser le plus puissant du monde révèle les secrets de l’ionisation sous pression dans les étoiles et de la fusion nucléaire

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Ionisation sous pression

Des scientifiques ont mené des expériences de laboratoire au National Ignition Facility du Lawrence Livermore National Laboratory qui ont généré les compressions extrêmes nécessaires à l’ionisation par pression. Leurs recherches permettent de mieux comprendre la physique atomique à des pressions gigabares, ce qui profite à l’astrophysique et à la recherche sur la fusion nucléaire. Crédit : illustration graphique de Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory ; encart de Jan Vorberger/Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf.

Des scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory ont utilisé avec succès le laser le plus puissant du 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 extrêmement comprimée et a des implications significatives 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 apportent de nouvelles informations sur le processus complexe d’ionisation sous pression dans les planètes géantes et les étoiles. Leur recherche, publiée le 24 mai dans Nature, dévoile les propriétés matérielles et le comportement de la matière soumise à une compression extrême, offrant des implications importantes pour l’astrophysique et la recherche sur la fusion nucléaire.

« Si l’on peut recréer les conditions qui se produisent dans un objet stellaire, on peut alors découvrir ce qui se passe à l’intérieur », a déclaré le collaborateur Siegfried Glenzer, directeur de la High Energy Density Division au SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l’énergie. « C’est comme si l’on mettait un thermomètre dans l’étoile et que l’on mesurait sa température et les effets de ces conditions sur les atomes à l’intérieur du matériau. Cela peut nous apprendre de nouvelles façons de manipuler la matière pour obtenir des sources d’énergie de fusion ».

L’équipe de recherche internationale a utilisé le laser le plus grand et le plus énergétique du monde, le National Ignition Facility (NIF), pour générer les conditions extrêmes nécessaires à l’ionisation sous pression. En utilisant 184 faisceaux laser, l’équipe a chauffé l’intérieur d’une cavité, convertissant l’énergie du laser en rayons X qui ont chauffé une coquille de béryllium de 2 mm de diamètre placée au centre. Alors que l’extérieur de la coquille se dilatait rapidement sous l’effet du chauffage, l’intérieur s’accélérait vers l’intérieur, atteignant des températures d’environ deux millions de kelvins et des pressions allant jusqu’à trois milliards d’atmosphères, et créant un minuscule morceau de matière tel qu’on en trouve dans les étoiles naines pendant quelques nanosecondes en laboratoire.

L’échantillon de béryllium fortement comprimé, jusqu’à 30 fois sa densité solide ambiante, a été sondé par diffusion Thomson des rayons X pour en déduire sa densité, sa température et sa structure électronique. Les résultats ont révélé qu’à la suite d’un chauffage et d’une compression importants, au moins trois électrons sur quatre du béryllium sont passés à l’état conducteur. En outre, l’étude a mis en évidence une faible diffusion élastique inattendue, indiquant une localisation réduite de l’électron restant.

La matière à l’intérieur des planètes géantes et de certaines étoiles relativement froides est fortement comprimée par le poids des couches supérieures. À ces pressions élevées, générées par une forte compression, la proximité des noyaux atomiques conduit à des interactions entre les états électroniques liés des ions voisins et, en fin de compte, 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.

Malgré son importance pour la structure et l’évolution des objets célestes, l’ionisation par pression en tant que voie d’accès à la matière hautement ionisée n’est pas bien comprise sur le plan théorique. En outre, les états extrêmes de la matière requis sont très difficiles à créer et à étudier en laboratoire, a déclaré Tilo Döppner, physicien au LLNL, qui a dirigé le projet.

« En recréant des conditions extrêmes similaires à celles qui règnent à l’intérieur des planètes géantes et des étoiles, nous avons pu observer des changements dans les propriétés des matériaux et la structure des électrons qui ne sont pas pris en compte par les modèles actuels », a déclaré Döppner. « Notre travail ouvre de nouvelles voies pour l’étude et la modélisation du comportement de la matière dans des conditions de compression extrême. L’ionisation dans les plasmas denses est un paramètre 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 confinement inertiel au NIF, où l’absorption des rayons X et la compressibilité sont des paramètres clés pour l’optimisation des expériences de fusion à haute performance. Selon M. Döppner, il est essentiel de bien comprendre l’ionisation induite par la pression et la température pour modéliser les matériaux comprimés et, à terme, développer une source d’énergie abondante et sans carbone par le biais de la fusion nucléaire induite par le laser.

« Les capacités uniques de la National Ignition Facility sont inégalées. Il n’existe qu’un seul endroit sur Terre où nous pouvons créer les compressions extrêmes des noyaux planétaires et des intérieurs stellaires en laboratoire, les étudier et les observer, et ce sur le laser le plus grand et le plus énergétique du monde », a déclaré Bruce Remington, chef du programme Discovery Science du FNI. « En s’appuyant sur les recherches antérieures menées au FNI, ces travaux repoussent les frontières de l’astrophysique de laboratoire ».

Référence : « Observing the onset of pressure-driven K-shell delocalization » par T. Döppner, M. Bethkenhagen, D. Kraus, P. Neumayer, D. A. Chapman, B. Bachmann, R. A. Baggott, M. P. Böhme, L. Divol, R. W. Falcone, L. B. Fletcher, O. L. Landen, M. J. MacDonald, A. M. Saunders, M. Schörner, P. A. Sterne, J. Vorberger, B. B. L. Witte, A. Yi, R. Redmer, S. H. Glenzer et D. O. Gericke, 24 mai 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-05996-8

Dirigée par Döppner, l’équipe de recherche du LLNL comptait parmi ses coauteurs Benjamin Bachmann, Laurent Divol, Otto Landen, Michael MacDonald, Alison Saunders et Phil Sterne.

Cette recherche pionnière est le résultat d’une collaboration internationale visant à développer la diffusion Thomson des rayons X au NIF dans le cadre du programme Discovery Science 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), de l’université de Warwick (Royaume-Uni), du GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research (Allemagne), du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (Allemagne), de l’université de Lyon (France), du Los Alamos National Laboratory, de l’Imperial College London (Royaume-Uni) et de First Light Fusion Ltd. (ROYAUME-UNI).