Taisuke Nagayama, chercheur au Sandia National Laboratories, dans un moment calme devant la machine Z de Sandia, qui atteint la température des étoiles. Crédit :Randy Montoya
Expérimenter à 4,1 millions de degrés Fahrenheit, Les physiciens de la machine Z de Sandia National Laboratories ont découvert qu'un modèle astronomique - utilisé pendant 40 ans pour prédire le comportement du soleil ainsi que la vie et la mort des étoiles - sous-estime le blocage énergétique causé par les atomes de fer flottant librement, un acteur majeur dans ces processus.
L'effet de blocage, appelé opacité, est la résistance naturelle d'un élément à l'énergie qui le traverse, semblable à la résistance d'une fenêtre opaque au passage de la lumière.
"En observant les divergences du monde réel entre la théorie et nos expériences à Z, nous avons pu identifier des faiblesses dans les chiffres d'opacité insérés dans les modèles solaires, " a déclaré Taisuke Nagayama, auteur principal de la dernière publication des groupes Sandia en Lettres d'examen physique .
La bonne nouvelle est que les mesures expérimentales d'opacité de Sandia peuvent aider à résoudre sans effusion de sang un écart majeur dans la façon dont le modèle solaire standard largement utilisé utilise la composition du soleil pour prédire le comportement des étoiles.
Jusqu'en 2005, la multiplication par le SSM de la quantité de chaque élément présent par son opacité explique la structure de température observée du soleil. Mais de nouvelles observations astrophysiques et une physique plus sophistiquée ont alors conduit les astronomes à réviser leurs estimations de la composition du soleil. Malheureusement, ces nouvelles estimations, insérés dans le modèle et multipliés par leurs opacités, ne tenait pas compte de la température du soleil. Il y avait trois possibilités :soit les nouvelles observations de composition étaient inexactes, ou le vénéré SSM avait tort, ou les opacités théoriquement dérivées des éléments étaient incorrectes.
Des expériences à la température du soleil apportent des réponses
La meilleure résolution proviendrait clairement d'expériences réalisées aux mêmes températures que celles trouvées à l'intérieur du soleil.
Il y a plus d'une décennie, Les chercheurs de Sandia ont commencé à prendre des morceaux de fer, chacun plus petit qu'un centime, et en les insérant dans la zone cible de Z. Lorsque Z a tiré, la chaleur extrême a changé le solide en plasma (un gaz) tel qu'il existe au soleil, mais seulement pour les nanosecondes. C'était assez long, cependant, pour les chercheurs d'envoyer une onde d'énergie à travers chaque échantillon et de mesurer la quantité qui a traversé. L'idée était de créer, pour la première fois, des mesures en laboratoire de l'opacité du fer à la température du soleil pour savoir si elle était en accord avec les chiffres théoriques utilisés dans les calculs du modèle solaire standard.
L'augmentation de l'opacité du fer dans la mesure démontrée par Z dans plusieurs expériences indépendantes a supprimé environ la moitié de l'écart entre la température solaire calculée et réelle, dit Nagayama.
"Les astronomes sont contents de nous parce que nous disons que ce sont les chiffres d'opacité qui peuvent être faux, ", a déclaré Jim Bailey, auteur de l'article et chercheur de Sandia. "Ensuite, ils n'ont pas à proposer un nouveau modèle et à refaire tous leurs calculs en utilisant le soleil comme référence pour prédire l'évolution des étoiles."
C'est parce que les astronomes utilisent la composition du soleil comme référence pour l'univers.
Le graphique du haut en rouge montre une plus grande opacité du fer telle que déterminée expérimentalement par la machine Z de Sandia National Laboratories. Le graphique du bas montre le calcul théorique antérieur. Crédit :Taisuke Nagayama
« Diminuer de 50 % la quantité d'oxygène dans le soleil équivaut à réduire de moitié la quantité d'eau (H2O) dans l'univers, " dit Bailey. " Il y a beaucoup d'exoplanètes en orbite autour d'étoiles semblables au soleil; réviser la compréhension de notre soleil aurait également un impact significatif sur la compréhension de ces exoplanètes.
"Les astronomes ont préféré la supposition d'opacité, et c'est ce que nous trouvons jusqu'à présent."
Une surprise métallique
Sur le même test, Sandia a également mesuré les opacités du chrome et du nickel dans les mêmes conditions que celles utilisées sur le fer. L'idée était d'utiliser ces éléments, respectivement plus petits et plus gros que le fer, mais adjacent au fer dans le tableau périodique, comme si le fer était testé de plus en plus loin du noyau solaire. Étonnamment, ces éléments ont produit des résultats d'opacité expérimentale fondamentalement en accord avec les prédictions du modèle à certaines énergies de photons. Toujours, elles différaient des prédictions d'opacité à des longueurs d'onde particulières—un apport supplémentaire pour la révision du modèle.
« Notre travail au cours des cinq dernières années s'est concentré sur la résolution des divergences, " a déclaré Nagayama. " Et pourtant, les nouveaux résultats signifient qu'une nouvelle science peut être nécessaire pour les expliquer. "
Pour expliquer de nouveaux résultats expérimentaux, les physiciens examinent de nouveaux modèles. Une, appelée opacité à deux photons, explore l'idée qu'un élément peut absorber deux photons à la fois au lieu d'une seule pensée standard.
"Si cette absorption multiphotonique est prise en compte dans le modèle, cela améliorerait l'opacité du fer calculée et pourrait résoudre l'écart, " il a dit.
Si c'est correct, le nouveau modèle physique doit calculer l'augmentation d'opacité uniquement pour le fer, puisque le modèle et les données concordent déjà pour le chrome et le nickel.
D'autres limitations expérimentales incluent le fait que l'on sait peu de choses sur la structure du soleil à des distances particulières du centre du soleil.
« Est-ce que l'écart est pire si vous allez encore plus loin au soleil ? » demanda Nagayama. "Nous ne savons pas. Tout dépend de la cause de l'écart. Nous pouvons constater que l'écart est encore pire dans le noyau solaire, ou le problème peut être isolé dans la région autour de 0,7 rayon solaire, la distance qui correspond aux énergies auxquelles ces expériences ont été effectuées."
Répondre à ces questions devrait conduire à un modèle plus précis, il a dit.
« Les expériences de plasma dense chaud sont suffisamment difficiles pour que nous ne puissions pas exclure la possibilité d'une erreur, " a déclaré Nagayama. " Et l'impact scientifique est énorme, cela nous oblige à continuer d'examiner la validité de l'expérience. "
