Physique des plasmas produits par laser

L'étude des plasmas produits par laser et des thèmes physiques associés (combustion, hydrodynamique radiative….) a connu un développement très important au cours de la période 2000-2003. Des équipes se sont développées autour des aspects expérimentaux et de la modélisation. L'ensemble de ces activités est maintenant regroupé au sein de l'Institut laser et plasmas (ILP). Tous ces développements placent les équipes du Dapnia au cœur de cette thématique émergente.

Sur le plan expérimental, les activités se sont concentrées autour de trois expériences : une expérience sur l’étude de l’instabilité hydrodynamique de Rayleigh-Taylor, une mesure de l’opacité du nickel dans le domaine X et enfin une expérience sur les chocs radiatifs. Ces trois expériences illustrent parfaitement la démarche et les synergies qui se sont mises en place entre l'astrophysique, la modélisation et les expériences auprès des grands lasers. Les expériences apportent des informations à la fois sur des phénomènes dynamiques (instabilité, chocs radiatifs) et sur des données de physique fondamentale (opacités). L’interaction entre les expériences et la modélisation est très forte puisque, d’une part, les codes de modélisation physique permettent de dimensionner et d’analyser les expériences et, d’autre part, ces mêmes codes sont validés et enrichis par la confrontation avec l’expérience.

Mesure d’opacités

Une expérience ayant pour objectif de mesurer l'opacité spectrale du nickel dans le domaine X a été conçue et réalisée sur les installations du Laboratoire pour l’utilisation des lasers intenses (Luli). Pour ce faire, une cible originale composée de deux feuilles de carbone entourant un mélange d'aluminium et de nickel a été développée et testée. Les feuilles de carbone permettent de maintenir et comprimer le mélange aluminium-nickel aux densités souhaitées. L'aluminium permet, grâce à son spectre X bien connu, d'obtenir une détermination précise de la température. Afin d’avoir une mesure exploitable de l’opacité, il est également nécessaire de connaître la densité du mélange Al/Ni. Ne pouvant être mesurée directement, cette densité a été calculée à l’aide d’un code d’hydrodynamique reproduisant l’évolution de la cible. L’analyse finale de l’expérience a consisté à comparer les spectres expérimentaux à ceux obtenus en couplant le code hydrodynamique avec le code de calcul d’opacité développé au Drecam.
Cette méthode d’analyse permet d’exploiter au mieux les données expérimentales et de valider les algorithmes complexes de calcul d’opacité. La validation de ces méthodes sur le nickel a permis de les extrapoler au calcul de l’opacité du fer – dont Z, nombre total de nucléons, est voisin – et ainsi d’identifier deux raies observées dans le spectre du quasar IRAS 13349+2438. Les nouvelles installations qui seront prochainement en service (Luli-2000 puis LIL) permettront d'explorer d'autres régions du domaine de densité et de température et ainsi de se rapprocher de conditions plus extrêmes rencontrées dans d’autres plasmas astrophysiques.

Figure 1. Comparaison entre l'opacité spectrale du nickel mesurée et celles calculées a différentes températures.

Chocs radiatifs

Les effets dynamiques des processus radiatifs sont déterminants pour un grand nombre de phénomènes astrophysiques (formation des cœurs protostellaires, supernovæ, fragmentation du milieu interstellaire…). Un ensemble de moyens numériques et expérimentaux consacrés aux études d’hydrodynamique radiative a été mis en place au sein d’ILP-Recherche. Le code de calcul d’hydrodynamique radiative Astrolabe, développé au Dapnia, met en oeuvre une méthode originale pour le traitement du rayonnement, développée en collaboration avec des mathématiciens de l’université Bordeaux I. On notera que ce code a été utilisé à la fois en physique stellaire et pour la modélisation des expériences laser, notamment d’hydrodynamique radiative. Parallèlement à ces développements numériques, un choc radiatif a été produit sur les installations du Luli, en utilisant le laser pour illuminer la face arrière d’une cible composée d’un « sandwich » de différents matériaux, conçue pour engendrer un choc dans du xénon. Les matériaux choisis et la puissance disponible de l’impulsion laser permettent de réaliser une onde de choc se propageant à environ 65 km/s dans le xénon. Ce choc chauffe considérablement le xénon qui rayonne et crée en amont une région préchauffée et ionisée, appelée précurseur thermique. Les principaux effets du rayonnement sont le développement de ce précurseur ainsi que le l’élévation de plus d’un ordre de grandeur de la compression du plasma au passage du choc (par rapport à la situation adiabatique). Le dispositif expérimental permet de mesurer à la fois la vitesse du choc et celle du précurseur thermique au cours du temps.

Figure 2. Interférogramme obtenu lors d'une expérience de choc radiatif. Le déplacement des franges correspond au déplacement d'une interface matérielle : en rouge le précurseur radiatif (le plus rapide) et en bleu le choc.

Les modèles numériques permettent de reproduire fidèlement ces deux quantités et de détailler la structure fine du choc radiatif qui sera probablement accessible aux expériences sur la LIL. Cette structure de choc, caractéristique des chocs radiatifs, est très semblable à celle des chocs d’accrétion des proto-étoiles.

Figure 3. Le porte-cible et la cible (petit cube de quartz) utilisés pour les expériences de chocs radiatifs. Les micro-tubes alimentent la cible en xénon.

Supernovæ

L’étude des supernovæ thermonucléaires de type Ia, dont les thèmes de physique sont communs avec ceux de la fusion par confinement inertiel, est un sujet d’étude transversal et fédérateur au sein d’ILP-Recherche. Les activités autour de cette thématique ont été développées et structurées dans le cadre du projet transdisciplinaire « Supernovæ et combustion ». Ce projet regroupe des scientifiques de tous bords (astrophysiciens, spécialistes de la combustion, de la détonique, des équations d’états, physiciens nucléaires, mathématiciens appliqués…) en vue de rassembler l’ensemble des expertises nécessaires à la réalisation d’un modèle numérique de supernovæ. Des études préliminaires concernant la propagation d’un front de flamme soumis à l’instabilité de Rayleigh-Taylor et la propagation d’une détonation cellulaire ont été réalisées à l’aide du code à maillage adaptatif Ramses développé au Dapnia.

Figure 4. Structure d'un choc radiatif supercritique issu de la formation d'une étoile (à gauche) et d'une expérience laser (à droite). Ces deux chocs ont une structure très semblable, avec notamment un pic de la température du gaz accompagné d'une brusque augmentation de la luminosité (graphe du centre).

L’ILP

La période 2000-2003 a vu l’organisation de la physique des plasmas créés par laser avec la fondation de l’Institut laser et plasmas. L’ILP est un institut à vocation nationale coordonnant ses quatre partenaires, CEA, CNRS, École polytechnique et université Bordeaux I, pour développer les domaines scientifiques et techniques concernés par les plasmas denses et chauds créés par des lasers de très haute énergie. Au sein de l’ILP, la fédération ILP-Recherche remplit une triple mission de recherche, de formation et de service d'accès aux grandes installations autour des lasers, notamment celles du laser Mégajoule en cours de construction par le CEA-Cesta en Aquitaine, et de la ligne d’intégration laser (LIL). La fédération ILP-Recherche associe actuellement plus de vingt-cinq laboratoires pour le développement de la fusion par confinement inertiel et la recherche sur les propriétés extrêmes de la matière. Ainsi, le Dapnia s’apprête-t-il à relever de nombreux défis en s'engageant dans une démarche expérimentale complémentaire de l'investigation observationnelle traditionnelle.