Reproduire en laboratoire les mélanges de matière caractéristiques du Soleil

Focaliser un laser ultra-intense sur des cibles conçues à cet effet permet d’étudier la matière représentative de l’intérieur du Soleil. En jouant sur leurs compositions, il est possible d’étudier les processus gouvernant l’évolution de cette matière extrêmement dense et chaude, et de tester ainsi la capacité prédictive du code de simulation utilisé au CEA - DAM [1].

Le Soleil qui nous éclaire et nous réchauffe en rayonnant a beau être étudié depuis longtemps, les physiciens ne parviennent toujours pas à reproduire par le calcul l’intégralité des observations astronomiques. Entre son cœur, où les réactions de fusion nucléaire font monter la température à dix millions de degrés, et sa surface à six mille degrés, la chaleur est évacuée d’abord par rayonnement, puis par convection (figure 1). Grâce aux nombreuses observations, on sait qu’il existe une frontière entre la zone radiative et la zone convective, mais les calculs ne parviennent pas à restituer sa position. En cause : notre possible méconnaissance de certaines propriétés de la matière dans une telle fournaise.

Pour y remédier, nous sommes aujourd’hui capables de porter en laboratoire la matière aux conditions régnant à l’intérieur du Soleil et de mesurer son comportement. En particulier, comme la zone radiative est composée de nombreux atomes différents, nous nous intéressons aux effets de mélange qui pourraient être mal pris en compte dans les calculs. Plus précisément, nous comparons les valeurs mesurées et calculées de l’intensité du rayonnement dans trois situations : de l’aluminium seul (Al), un mélange d’aluminium et de titane (AlTi), et un mélange d’aluminium et d’or (AlAu). Les différences observées (figure 2) nous permettent de mettre en évidence les forces et les faiblesses de nos calculs et de tester la validité de certains de leurs ingrédients.

Certains lasers, dits ultra-intenses et ultracourts, permettent de déposer en quelques picosecondes – soit le milliardième d’un clignement d’œil –, une quantité d’énergie de quelques joules dans une cible d’une dizaine de microns de diamètre, soit le dixième de l’épaisseur d’un cheveu. Cette formidable densité d’énergie conduit à des températures pouvant dépasser la dizaine de millions de degrés, transformant le milieu initialement solide en un plasma dense et fortement ionisé. Il s’agit alors de mesurer le rayonnement X émis avec la meilleure précision.

La structure des cibles – pulvérisées à chaque tir laser – permet de contraindre les processus physiques mis en jeu. En effet, la matière à étudier est incluse dans une matrice en plastique, ce qui limite son expansion une fois chauffée et maintient une densité élevée pendant les premières dizaines de picosecondes. En ajoutant à l’aluminium du titane ou de l’or, nous modifions les effets dus à la densité initiale ou aux propriétés radiatives du plasma.

Pour caractériser l’émission de rayonnement X du plasma, nous avons développé trois détecteurs. Chacun est dédié à une mesure particulière : résolue en temps, en espace ou spectralement. Ces mesures permettent d’extraire une durée d’émission, le diamètre de la zone émissive ainsi que la position et l’intensité des raies spectrales.

Nous avons ensuite effectué de nombreuses simulations à l’aide du code Troll du CEA ‑ DAM, en faisant varier la principale inconnue : l’énergie déposée dans la cible. Pour chaque type de cible (aluminium, aluminium-titane, aluminium-or), un choix d’ingrédients dans les simulations permet de restituer simultanément les trois mesures. La figure 2 compare les mesures de spectres d’émission (courbes noires) avec ces simulations (courbes de couleur). Les mesures présentent deux pics composites, correspondant à l’émission de rayonnement X de l’ion aluminium ionisé onze et douze fois. L’allure des courbes nous renseigne sur la densité et la température du milieu chauffé. Les comparaisons sont satisfaisantes quant à la hauteur et à la largeur des deux pics. En revanche, le signal de fond entre ces derniers est sous-estimé par le calcul.

Ainsi, bien que l’énergie déposée dans le mélange aluminium-or soit plus importante que dans l’aluminium seul, le mélange est plus froid (2 millions de degrés contre 9 millions) du fait de l’augmentation de l’émission radiative apportée par la présence de l’or (Z = 79 contre 13 pour l’aluminium). En revanche, dans ces conditions de température, le titane (Z = 22) influe peu sur l’émission radiative ; c’est ici l’augmentation de la densité initiale par rapport à celle de l’aluminium seul qui pilote l’évolution thermique de la cible.

Cette expérience a démontré la possibilité de tester les effets de mélange dans des plasmas chauffés par laser ultra-intense. À l’avenir, nous pourrons nous rapprocher davantage encore des mélanges stellaires en ajustant les paramètres du laser et la composition des cibles. Le fer, notamment, joue un rôle clé dans ces mélanges, et des expériences sont prévues pour l’étudier.