En utilisant la puissance du National Ignition Facility (NIF), le système laser le plus énergétique au monde, des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) et une équipe internationale de collaborateurs ont développé une capacité expérimentale pour mesurer les propriétés fondamentales de la matière, comme l'équation d'état (EOS), aux pressions les plus élevées obtenues jusqu'à présent dans une expérience de laboratoire contrôlée.

Les résultats sont pertinents pour les conditions au cœur des planètes géantes, les intérieurs des naines brunes (étoiles ratées), les enveloppes de carbone des étoiles naines blanches et de nombreux programmes de sciences appliquées au LLNL.

Les études ont été publiées aujourd'hui dans La nature .

Selon les auteurs, le chevauchement avec les enveloppes de naines blanches est particulièrement important - cette nouvelle recherche permet des repères expérimentaux des propriétés de base de la matière dans ce régime. Les résultats devraient conduire à terme à des modèles améliorés de naines blanches, qui représentent le stade final de l'évolution de la plupart des étoiles de l'univers.

Après des milliards d'années, le soleil et d'autres étoiles de masse moyenne et faible subiront une séquence d'expansions et de contractions qui entraîneront la formation de naines blanches - le sort des étoiles qui ont épuisé leur combustible nucléaire et se sont effondrées en mélanges super denses de carbone et d'oxygène.

Dans un effort pour résoudre les désaccords dans les modèles EOS à des pressions extrêmes qui sont pertinentes pour les étoiles naines blanches et divers projets de recherche en laboratoire, les scientifiques ont mené les premières études en laboratoire de la matière dans les conditions de la couche de carbone externe d'une classe inhabituelle de naines blanches appelées « DQ chaudes ».

La recherche a soumis des échantillons d'hydrocarbures solides à des pressions allant de 100 à 450 mégabars (100 à 450 millions de fois la pression atmosphérique terrestre) pour déterminer l'EOS (la relation entre la pression et la compression) dans la couche de convection d'un DQ chaud. Il s'agissait des pressions les plus élevées jamais atteintes lors des mesures EOS en laboratoire.

"Les étoiles naines blanches fournissent des tests importants de modèles de physique stellaire, mais les modèles EOS dans ces conditions extrêmes n'ont en grande partie pas été testés, " a déclaré Annie Kritcher, physicienne du LLNL, l'auteur principal du journal.

"NIF peut reproduire des conditions allant des noyaux des planètes et des naines brunes à celles du centre du soleil, " Kritcher a ajouté. " Nous sommes également capables dans les expériences NIF de déduire l'opacité le long du choc Hugoniot (la courbe Hugoniot est un tracé de l'augmentation de la pression et de la densité d'un matériau sous une forte compression de choc). C'est un élément nécessaire dans les études de la structure et de l'évolution stellaires."

Les DQ chaudes ont des atmosphères principalement composées de carbone - au lieu d'hydrogène et d'hélium comme dans la plupart des naines blanches - et sont exceptionnellement chaudes et lumineuses. Certains vibrent également lorsqu'ils tournent à cause de taches magnétiques à leur surface, fournissant des variations observables de luminosité. L'analyse de ces variations "fournit des tests rigoureux de modèles de naines blanches et une image détaillée du résultat des derniers stades de l'évolution stellaire, ", ont déclaré les chercheurs.

Ils ont ajouté, cependant, que les modèles EOS actuels applicables aux enveloppes de naines blanches à des pressions de centaines de millions d'atmosphères peuvent varier de près de 10 %, "une incertitude significative pour les modèles d'évolution stellaire." Des chercheurs précédents ont appelé cela le "maillon le plus faible de la physique constitutive" qui informent la modélisation des naines blanches, dit Kritcher.

La recherche du NIF pourrait aider à résoudre les différences en fournissant les premières données EOS qui atteignent des conditions profondes dans la zone de convection d'un DQ chaud, la région où les modèles montrent la plus grande variabilité. Les résultats des expériences concordent avec les modèles EOS qui reconnaissent dans quelle mesure des pressions extrêmes peuvent retirer les électrons de la couche interne de leurs atomes de carbone, diminuant l'opacité et augmentant la compressibilité du plasma ionisé résultant.

La recherche EOS est une excroissance du NIF Discovery Science "Gbar (gigabar, ou un milliard d'atmosphères) Campagne, " initié par Roger Falcone et ses étudiants et post-doctorants à l'Université de Californie, Berkeley et d'autres utilisateurs universitaires du NIF et scientifiques en début de carrière du LLNL. Il a été soutenu par le programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire LLNL, le Bureau du président de l'Université de Californie, la National Nuclear Security Administration et le Department of Energy Office of Science.

« Le programme de découverte scientifique du NIF a permis à notre équipe diversifiée de chercheurs, issus d'universités, les laboratoires nationaux et l'industrie - pour travailler ensemble sur un effort à long terme pour comprendre fondamentalement le comportement de la matière sous les pressions et températures les plus extrêmes, " a déclaré Falcone. " NIF est la seule installation au monde capable de créer et de sonder ces conditions, et ses équipes d'assistance expertes ont été la clé de notre succès. Cet article met en évidence la force de cette collaboration et montre comment la recherche fondamentale peut trouver des applications dans de nombreux domaines, y compris l'astrophysique."

Dans les expériences EOS, Les lasers du NIF ont fourni 1,1 million de joules de lumière ultraviolette à l'intérieur d'un cylindre d'or creux de la taille d'une gomme à crayon appelé hohlraum, créant un "bain" de rayons X uniforme avec une température de rayonnement maximale de près de 3,5 millions de degrés. Les rayons X ont été absorbés par une sphère en plastique solide montée au centre du hohlraum.

Le plastique a été chauffé et ablaté, ou soufflé comme un échappement de fusée, par les rayons X, créant une pression d'ablation qui a lancé des ondes de choc convergentes à 150 à 220 kilomètres par seconde vers le centre de la capsule cible. Les chocs se sont fusionnés en un seul choc plus fort qui a atteint des pressions approchant un milliard de fois l'atmosphère terrestre.

Les chercheurs ont déterminé l'Hugoniot - la densité et la pression au front de choc - en utilisant une radiographie à rayons X striée à résolution temporelle et spatiale. Les études ont montré des résultats cohérents pour les expériences menées à la fois à des températures cryogéniques et ambiantes - qui ont produit différentes densités de départ initiales - et avec différentes formes d'impulsions laser. Ils ont également mesuré la température électronique du matériau choqué en vrac et le degré d'ionisation avec la diffusion de rayons X Thomson.

"Nous avons mesuré une diminution de l'opacité aux hautes pressions, qui est associée à une ionisation importante de l'enveloppe interne en carbone, " a déclaré Kritcher. "Cette plage de pression le long de l'Hugoniot correspond aux conditions dans l'enveloppe de carbone des étoiles naines blanches. Nos données sont en accord avec les modèles d'équation d'état qui incluent la structure détaillée de la coque électronique."

Ces modèles "montrent une courbure plus prononcée dans l'Hugoniot et une compression maximale plus élevée que les modèles dépourvus de coques électroniques, " elle a dit, suggérant un "adoucissement" de l'EOS. Cela conduit à une compression accrue résultant de cette « ionisation de pression ».

Les données expérimentales peuvent contribuer à de meilleurs modèles d'étoiles DQ chaudes pulsantes et à une détermination plus précise de leurs structures internes, propriétés de pulsation, évolution spectrale et origine complexe, concluent les chercheurs.