Pour la première fois, les chercheurs ont isolé dans un laboratoire contrôlé les effets de la géométrie du plasma dans son spectre d'émission de rayons X, c'est-à-dire la distribution d'énergie du rayonnement émis par les plasmas.

Le travail est également le premier banc d'essai expérimental des théories décrivant un phénomène connu en astrophysique sous le nom de diffusion résonante. Ce phénomène se retrouve dans un plasma de taille et de densité suffisantes où les photons sont émis à l'intérieur du système et ont une probabilité d'être réabsorbés et réémis plusieurs fois. En outre, les chercheurs ont observé pour la première fois l'inversion géométrique d'un plasma simplement à partir de son spectre.

Dirigé par le chercheur postdoctoral Gabriel Pérez-Callejo, actuellement à l'Université de Bordeaux, et ses collègues du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), le travail a été présenté dans Physical Review Letters. Le travail a été mené dans le cadre de la série expérimentale OpticalDepth à l'Omega Laser Facility de l'Université de Rochester et était une collaboration entre le LLNL et l'Université d'Oxford.

"Les spectres des plasmas non isotropes - fondamentaux pour diagnostiquer leurs températures et densités - varient en fonction de la position de l'observateur, " dit Pérez-Callejo, auteur principal de l'ouvrage. « Bien qu'il existe des approches théoriques à ce problème, en raison de la difficulté d'isoler la géométrie du plasma des autres variables, aucune confirmation expérimentale n'avait encore été obtenue. Nous sommes maintenant en mesure d'obtenir des informations sur l'évolution de la géométrie d'un plasma, simplement à partir de son spectre de rayons X."

Pouvoir étudier comment ces variations géométriques dépendent de l'angle de vue pour différentes géométries fournira de nouvelles informations sur les données astrophysiques anormales et pourra même être utilisé pour diagnostiquer les conditions des implosions de fusion par confinement inertiel (ICF).

Pérez-Callejo a expliqué que le travail bénéficiera à l'astrophysique dans la mesure où les chercheurs pourraient déterminer la géométrie des structures au sein des amas de galaxies ou des atmosphères stellaires, qui ne peuvent être résolus avec les instruments actuels. Il a déclaré que la recherche profiterait également aux expériences ICF utilisant des traceurs cylindriques.

"Cela peut être fait en résolvant dans le temps le spectre du traceur et en observant comment sa géométrie change avec le temps, ", a-t-il déclaré. "Les chercheurs peuvent obtenir des informations supplémentaires sur l'évolution hydrodynamique de l'implosion."

"Notre objectif a été de fournir des bases expérimentales et théoriques pour adopter une notion plus intuitive d'un processus physique qui semble souvent excessivement complexe, " a déclaré Duane Liedahl, Chef d'équipe théorique LLNL. "L'effet de diffusion par résonance a ses racines historiques dans l'astrophysique observationnelle et théorique. Nous pouvons maintenant rendre quelque chose aux astronomes qui travaillent pour déduire les conditions physiques et les géométries des sources de rayonnement qui, évidemment, ne peut pas être contrôlé. La fertilisation croisée entre deux domaines par ailleurs disparates, l'astrophysique et la physique HED, qui fonctionnent sur des échelles de taille et de temps très différentes, est l'un des aspects les plus excitants de ce projet."

Pour mener les travaux, les chercheurs ont utilisé des cibles cylindriques en béryllium (Be) qui contenaient un disque enterré d'un mélange scandium/vanadium (Sc/V). En tirant à la fois sur l'avant et l'arrière du Be avec le même profil d'irradiation laser, les chercheurs ont réussi à générer un cylindre de plasma Sc/V uniforme.

Des caméras de cadrage à rayons X ont été utilisées pour observer à la fois l'expansion axiale et radiale des cibles (fournissant ainsi des mesures de leur géométrie et de leur densité à tout moment) et des spectromètres à cadrage à rayons X pour mesurer leurs spectres, à la fois pour l'émission dans les directions axiale et radiale (et ainsi obtenir leur température et leur émission spectrale à tout moment).

En changeant le rayon du disque de couche enterrée, les chercheurs ont réussi à générer deux plasmas qui ont évolué en suivant les mêmes chemins de température et de densité, mais avait un rayon différent (l'épaisseur du disque suivait le même chemin dans les deux cas). Cela a donné à l'équipe des mesures spectrales de l'effet direct de la modification uniquement du rayon du plasma.

L'équipe a mené les recherches à l'installation Omega et a démontré l'effet dans les spectres de rayons X émis par les plasmas cylindriques générés par l'irradiation laser de haute puissance, confirmant l'interprétation géométrique de la diffusion résonante.