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Astrophysique en laboratoire - quelques éléments

Les plasmas sont le milieu d’excellence de l’astrophysique. Les observations sont nombreuses, et leur précision s’accroît considérablement avec les missions spatiales toujours plus sophistiquées. Face à ces informations, les scientifiques établissent des modèles, font des simulations numériques et cherchent aussi à reproduire en laboratoire certains phénomènes, bien sûr à petite échelle.

 Contexte

La plus formidable moisson d’images astrophysiques est amassée depuis 1990 par le télescope orbital Hubble. Ces images ont permis d’affiner l’observation des objets célestes et ont suscité de nombreuses questions théoriques, notamment la compréhension des mécanismes de formation et d’évolution des étoiles.

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Image composite Téléscope Hubble HST/WFPC2 montrant un jet issu d’un coeur d’étoile jeune. La longueur des jets peut atteindre 1000 unités astronomiques. On observe en tête de jet un choc en arc caractéristique d’une progression dans de la matière froide.

Assez récemment, la puissance des moyens de calcul permet d’envisager la simulation numérique de ces objets plasmas. En parallèle des équipes reconstituent en laboratoire des conditions dynamiques qui peuvent simuler les phénomènes. Bien sûr la densité de particules, la taille des objets, leur durée de vie, leur opacité, leur vitesse d’expansion sont différentes celles des plasmas naturels, et il convient de bien analyser les lois d’échelle. Cependant, ces expériences se multiplient auprès des grandes installations laser, par exemple en France au LULI ou sur la LIL, ou au PALS de Prague en Rép. Tchèque.

 Plasmas stellaires et planétaires

Ces plasmas sont étudiés par de nombreuses équipes, dont en France au sein de l’Observatoire de Paris-Meudon. L’équipe AMPlus du LERMA est intéressée par la développement des expérimentations d’astrophysique en laboratoire et une collaboration a démarré en 2010 entre cette équipe et l’équipe Plasmas Chauds Impulsionnels du LPP.

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Modèle de naine brune. Taille environ 1 unité astronomique.

 High Energy Density Physics (HEDP)

Pour réaliser des expériences d’astrophysique en laboratoire, il est important de noter une caractéristique commune qui est la haute densité d’énergie des plasmas. Par suite la création de ces plasmas se fait en déposant très rapidement une haute énergie, typiquement le kJ de lumière laser sur une durée inférieure à la nanoseconde, soit 10^{12} W. Les volumes concernés sont très faibles, limités à quelques mm^{3}, et la matière est rapidement ionisée. Les pressions générées mettent en vitesse la matière et on note la formation de chocs et de jets, ainsi que l’abondance du rayonnement émis, allant du visible aux X.

 Jets

Un jet est une structure allongée où de la matière chaude est éjectée à grande vitesse dans un faible angle solide et avec une certaine homogénéité de vitesse. Un jet peut être étudié expérimentalement quant à sa géométrie, mais aussi pour son interaction avec un champ magnétique extérieur, avec un autre jet ou avec de la matière au repos.

La production de jets peut être faite par des arrangements de réseaux de fils en implosion (Z-pinch zippering) lorsqu’une composante initiale de vitesse axiale est donnée. Des résultats ont été présentés par Imperial College, sur la machine MAGPIE du Plasma Physics Group.
Z-pinch avec zippering :

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Principe d’émission de jet de plasma par un Z-pinch à réseau de fils conique. On force ainsi une implosion plus rapide où le diamètre initial est le plus faible (zippering). La composante axiale de la vitesse d’implosion (vitesse perpendiculaire aux fils) propulse le jet. En outre l’essentiel du courant participe au jet. Crédit dessin équipe MAGPIE, Imperial College London.

Une alternative consiste à mettre en vitesse une nappe radiale de courant en utilisant les forces magnétiques auto-générées.

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Arrangement radial du réseau de fils pour une émission de jet de plasma. Crédit dessin équipe MAGPIE, Imperial College London
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Développement d’une bulle de plasma à partir du réseau radial, sous la pression magnétique, et création d’un jet par tirage de l’arc principal entre l’électrode et la nappe. Crédit dessin équipe MAGPIE, Imperial College London

Un article d’Andrea Ciardi décrit les résultats obtenus.

 Chocs radiatifs

Les chocs radiatifs sont caractérisés par une haute puissance d’émission de rayonnement. Ce rayonnement a diverses conséquences sur la dynamique du choc. Il peut être absorbé dans la structure choquée, et en particulier dans le gaz froid où le choc se propage, ou bien il sort du choc et contribue à son refroidissement rapide.

La reproduction de ces chocs est possible en laboratoire par divers moyens.

- Sur les stations laser de puissance, l’impact du faisceau au dessus d’une fluence de 10^{14} W.cm^{-2} est un seuil admis pour observer des phénomènes comme les chocs radiatifs. En impulsion nanoseconde ( 3x10^{-10}s), cela correspond à 60 Joules focalisés sur une tache de diamètre 300µm.

En 2010 le LPP a été associé à des expériences menées par Chantal Stehlé (Labo LERMA) au PALS (Prague Asterix Laser System), sous les auspices du réseau européen Laserlab et du programme ANR Starshock.

L’interprétation des campagnes antérieures est évoquée ici

Une publication fait le point sur la campagne 2010 au PALS New probing techniques of radiatives shocks, C. Stehlé, M. Kozlova, J. Larour et al, Optics Communications 285 (1°, p. 64-69 (2012)
http://www.sciencedirect.com/scienc...

- Par voie électrique, il est possible de lancer une nappe de plasma radiale dans une structure coaxiale, c’est la géométrie Dense plasma focus. De nombreuses références sont recensées par le site plasmafocus.net. Etats de l’art en anglais ou bien ici ou encore ici.
Etat de l’art en français : PLASMA FOCUS et applications = PLASMA FOCUS and its applications, BERNARD A. ; Le Vide 2002, vol. 57, no 306 pp. 836-872.

Considérons une décharge dans un gaz à basse pression alimentée par un banc de condensateurs. Une nappe de plasma, qui porte le courant radial de densité j, est propulsée par la pression j X B, où B est le champ magnétique orthoradial généré par le courant, donc proportionnel à I (ou j).
Cette nappe de plasma peut être lancée dans le gaz froid et un choc radiatif quasi plan (1D) peut être réalisé. C’est ce qui a été réalisé au niveau du kJ au Tokyo Institute of Technology dans le groupe du Prof Horioka. Si la pression est basse ( <<1 bar) et l’énergie du choc élevée, un choc radiatif peut être généré.
Le LERMA et le LPP ont entamé une action expérimentale de ce type sur un prototype stockant 800 Joules sous 15kV et délivrant un courant d’accélération de 150 kA.
Des chocs dans l’argon ont été mesurés par leur émission visible jusqu’à 20km/s, soit dans un régime qui n’est pas radiatif mais complémentaire des régimes atteints sur des chocs induits par impact laser.
Une version étendue de l’expérience est en construction, associée à un diagnostic laser picoseconde avec le soutien de l’OBSPM, de la région Île-de-France (DIM ACAV) et de l’UPMC (plateforme plasma PPF1111).

Depuis 2012, les chocs pour l’astrophysique sont un thème du Labex PLAS@PAR http://plasapar.upmc.fr/.
pour les aspects expérimentaux et modélisation et une thèse est en cours.


(mise à jour mai 2014)


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