Reflets de la Physique n°58 jun/jui/aoû 2018
Reflets de la Physique n°58 jun/jui/aoû 2018
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°58 de jun/jui/aoû 2018

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 48

  • Taille du fichier PDF : 3,9 Mo

  • Dans ce numéro : l'observatoire spatial Fermi.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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Opacité (x10 4 cm 2/g) 1,2 0,8 0,4 Mesure jusqu’à une phase de stagnation, où le plasma s’arrête brutalement. L’énergie cinétique du plasma est alors convertie en rayonnement X qui peut être utilisé pour comprimer une capsule contenant le combustible dans le cas d’une expérience dédiée à la fusion, ou pour chauffer et irradier un échantillon et accéder à son opacité dans le cas qui nous intéresse ici. Du fait de sa contribution importante à l’opacité, le fer a naturellement été choisi pour cette campagne expérimentale. Mélangés à du magnésium (les raies du magnésium sont exploitées pour les diagnostics de température et densité) et tamponnés par des couches d’éléments 14 Reflets de la Physique n°58 0 8 OPAS SCO-RCG ATOMIC.11 9 10 Longueur d’onde (A) Fe 18+ 2p➞4d Fe 17+ 2p➞4d Fe 16+ 2p➞4d 4. Opacité du fer à une température de 2,11 10 6 K et une densité électronique de 3,1 10 22 e -/cm 3. L’expérience (en noir) est comparée à trois codes de calcul différents  : ATOMIC (USA), SCO-RCG et OPAS (CEA, France). Opacité (cm 2/g) 10 5 10 4 10 3 10 2 7 8 Fe XVII Fe XVIII Fe XIX 11 légers (plastique ou béryllium) pour limiter la détente et conserver une densité élevée et homogène, des échantillons de fer ont pu être portés à des densités électroniques (N e) comprises entre 0,71 et 4 10 22 cm -3 et à des températures comprises entre 1,91 et 2,26 10 6 K. Ces températures élevées, encadrant celle de la tachocline, sont obtenues grâce à un chauffage radiatif assuré par le rayonnement X intense délivré par le Z-pinch. Les échantillons de fer/magnésium sont chauffés pendant 10ns pendant la phase de compression et radiographiés pendant 3ns par le rayonnement du pinch à la stagnation (fig. 3). Le rayonnement « planckien » (température radiative de 9 10 11 12 13 Longueur d’onde (A) 5. Contributions, calculées par le code SCO-RCG, des trois principaux ions, Fe XVII (Fe 16+) , Fe XVIII (Fe 17+) et Fe XIX (Fe 18+) , à l’opacité du fer à une température de 2,11 10 6 K et une densité électronique de 3,1 10 22 e -/cm 3. 12 210 eV) impose l’équilibre thermodynamique local (ETL) aux populations. La transmission spectrale T de l’échantillon est déduite du rapport des enregistrements de l’atténuation d’un rayonnement sonde par l’échantillon tamponné et par le tampon seul. Connaissant la masse surfacique de l’échantillon, l’opacité est déduite de la loi de Beer-Lambert-Bouguer  : T(hn) = I/I 0 = exp [-rLk(hn)], où ρ représente la densité (en g/cm 3) , L l’épaisseur (en cm) et κ l’opacité (en cm 2/g). Les signaux atténué I et non atténué I 0 sont mesurés simultanément. Différentes épaisseurs ont été utilisées pour vérifier la validité de la loi de Beer–Lambert–Bouguer, des tirs avec tampons seuls (différentes épaisseurs de béryllium ou de plastique) ont été effectués pour connaitre leur transmission, et des plasmas de différentes températures et densités ont été étudiés. Le spectre expérimental a été obtenu en moyennant 450 spectres mesurés au cours de 22 campagnes expérimentales. Pour chaque tir, quatre spectromètres étaient mis en œuvre et la masse surfacique rL était mesurée in situ par rétrodiffusion Rutherford. Les expérimentateurs ont examiné les erreurs systématiques dues à l’incertitude sur la masse surfacique, la précision des diagnostics, les écarts à l’ETL, le bruit de fond (rayonnement ambiant), les gradients spatiaux et temporels, et l’atténuation due aux tampons. Ils ont abouti à une incertitude de l’ordre de 10%. Pour chaque mesure, les conditions de température et de densité électronique N e sont estimées à partir d’une analyse spectroscopique des raies d’absorption du magnésium au voisinage de son seuil photo électrique K. Bien que la nature et la structure des cibles aient été optimisées, les densités électroniques restent inférieures de plus d’un facteur 2 à celles attendues. L’opacité du fer mesurée à T = 2,11 10 6 K et N e = 3,1 10 22 cm -3 est présentée sur la figure 4. Entre 7 et 9,5 Å, le spectre est dominé par la contribution des processus de photo-ionisation en couche L (nombre quantique principal n=2) d’atomes de fer partiellement ionisés et plus ou moins excités. À plus grande longueur d’onde, les structures résonantes les plus marquées peuvent être attribuées à des transitions du type 2p4d des ions Fe 16+, Fe 17+ et Fe 18+ (Fe XVII, Fe XVIII et Fe XIX en notation spectroscopique). La figure 4 montre la comparaison de l’opacité mesurée avec celles calculées à l’aide des codes SCO-RCG
[11] et OPAS [12] développés au Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA) et du code américain ATOMIC [13]. Les contributions des trois principaux degrés de charge, calculées par le code SCO-RCG, sont représentées sur la figure 5. De conception récente, ces trois codes se caractérisent par un traitement précis et exhaustif des transitions entre états liés. De ce fait, ils permettent une restitution correcte de la position et de l’amplitude de nombreuses structures résonantes aux grandes longueurs d’onde. Bien que ces trois calculs s’accordent sur le niveau moyen de l’opacité dans la gamme spectrale considérée, ils se révèlent cependant plus faibles que la mesure d’un facteur supérieur à 1,5. Plusieurs pistes ont déjà été explorées, comme les profils des raies spectrales dues aux collisions entre électrons, le calcul de la photo-ionisation, la modélisation des états très excités, l’absorption multiphotonique ; mais aucune n’a permis d’expliquer le désaccord, même en partie... Conclusion Vingt-cinq ans d’efforts de la communauté internationale ont abouti à une précision dans la connaissance de la structure interne du Soleil qui ne semblait pas imaginable au début des années 1980. Le premier résultat spectaculaire a été le gain sur la localisation de la base de la zone de convection. Évalué à 10% près il y a 30 ans, son rayon est aujourd’hui connu avec trois décimales  : 0,713 rayon solaire. Cette contrainte sismique sur les modèles est sévère et exige une grande précision sur l’opacité dans la zone radiative. C’est l’incertitude sur l’abondance des éléments lourds qui limite la précision sur l’opacité, et il a fallu imaginer cette abondance stratifiée par une lente sédimentation allégeant les couches les plus hautes, pour améliorer l’accord. Une mesure de l’opacité du fer, dans des conditions de température et de densité proches de celles attendues à l’interface radiative/convective solaire, a été réalisée sur la machine Z-pinch du Sandia National Références 1 A. Mazumdar et H.M. Antia, «Seismic detection of stellar tachoclines», A&A 368 (2001) L8-L12. 2 P.Lambert, « À l’écoute des étoiles », Reflets de la physique 2 (2006) 9-13. 3 A.A. Pamyatnykh et al., «Asteroseismology of the β Cephei star ν Eridani : interpretation and applications of the oscillation spectrum», MNRAS 350 (2004) 1022-1028. 4 S. Turck-Chièze et al., «Detailed opacity comparison for an improved stellar modeling of the envelopes of massive stars», ApJ 823 (2016) 78. 5 A.S. Eddington, «Theories of Cepheid variation», The Observatory 49 (1926) 88. 6 E. Fossat et al., «Asymptotic g modes : Evidence for a rapid rotation of the solar core», A&A 604 (2017) A40. 7 S. Lavignac et M. Zito, « Les neutrinos n’ont pas livré tous leurs secrets », Reflets de la Physique 50 (2016) 4-9. Avancées de la recherche 8 N. Grevesse et A.J. Sauval, «Standard solar composition», Space Sci. Rev. 85 (1998) 161-174. 9 M. Asplund et al., «The Chemical Composition of the Sun», Annu. Rev. Astron. Astrophys. 47 (2009) 481-522. 10 J.E. Bailey et al., «A higher-than-predicted measurement of iron opacity at solar interior temperatures», Nature 517 (2015) 56-59. 11 J.-C. Pain et F. Gilleron, «Accounting for highly excited states in detailed opacity calculations», High Energy Density Phys. 15 (2015) 30-42. 12C. Blancard et al., «Solar mixture opacity calculations using detailed configuration and level accounting treatments», ApJ 745 (2012) 10. 13 J. Colgan et al., «Light element opacities from ATOMIC», High Energy Density Phys. 9 (2013) 369-374. www.florilege-maths.fr Lancement du site Internet Florilège de la popularisation des mathématiques Afin de valoriser la candidature de Paris pour accueillir le Congrès international des mathématiciens en 2022 (ICM 2022), ce site rassemble les nombreuses actions menées en direction du grand public en France et dans les régions francophones  : plus de 1300 références déjà identifiées. Ainsi on y trouve des livres, revues, expositions, films et vidéos, conférences, émissions de radio ou de télévision, ou un nouvel usage du virtuel  : sans prétendre à l’exhaustivité, la base de données se veut un lieu de mémoire et de projets. Elle se complète d’introductions spécifiques à chaque type de vulgarisation. Un moteur de recherche propose des recherches par mot-clé, titre, auteur, acteur, lieu, thème... À la fin du projet ICM, le site sera hébergé par le GdS Mathrice CNRS 2574 et a le soutien de la Fondation Blaise Pascal. Laboratory. Dans le domaine spectral considéré (de 7 à 12,7 Å), les résultats expérimentaux sont 30 à 400% supérieurs aux calculs les plus précis effectués à ce jour. En attendant d’être étendues à des éléments chimiques voisins du fer et éventuellement confirmées par des expériences sur des installations laser de classe Mégajoule, ces expériences suggèrent qu’il faut réexaminer la description communément admise des processus de photoabsorption dans les plasmas à haute densité d’énergie. ❚ Reflets de la Physique n°58 15



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