Hoe reist straling door dicht plasma?

De meeste mensen kennen vaste stoffen, vloeistoffen en gassen als drie toestanden van materie. De vierde toestand van materie, plasma (*), is echter de meest voorkomende vorm van materie in het universum en wordt overal in ons zonnestelsel aangetroffen in de zon en andere planetaire lichamen.

Omdat dicht plasma - een hete soep van atomen met vrij bewegende elektronen en ionen - zich meestal alleen vormt onder extreme druk en temperaturen, proberen wetenschappers nog steeds de grondbeginselen van deze materietoestand te begrijpen.

Door te begrijpen hoe atomen reageren onder extreme druk - een gebied dat bekend staat als hoge-energie-dichtheidsfysica (HEDP) - krijgen wetenschappers waardevolle inzichten op het gebied van planeetwetenschap, astrofysica en fusie-energie.

Bij de afbeelding: Een NASA-afbeelding van plasma dat uit de zon barst. Een nieuwe studie van onderzoekers van de Universiteit van Rochester levert experimentele gegevens op over hoe straling door dichte plasma's reist, wat wetenschappers zal helpen planetaire wetenschap en fusie-energie beter te begrijpen. Foto: NASA

Een belangrijke vraag op het gebied van HEDP is hoe plasma's straling uitzenden of absorberen. De huidige modellen die stralingstransport in dichte plasma's weergeven, zijn eerder sterk gebaseerd op theorie dan op experimenteel bewijs.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Nature Communications, gebruikten onderzoekers van het University of Rochester Laboratory for Laser Energetics (LLE) de OMEGA-laser van LLE om te bestuderen hoe straling door dicht plasma reist. Het onderzoek, geleid door Suxing Hu, een vooraanstaande wetenschapper en groepsleider van de High-Energy-Density Physics Theory Group aan de LLE en een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde, en Philip Nilson, een senior wetenschapper in de Laser-Plasma Interaction-groep van de LLE , biedt de eerste experimentele gegevens in zijn soort over het gedrag van atomen onder extreme omstandigheden. De gegevens zullen worden gebruikt om plasmamodellen te verbeteren, waardoor wetenschappers de evolutie van sterren beter kunnen begrijpen en kunnen helpen bij de realisatie van gecontroleerde kernfusie als alternatieve energiebron.

"Experimenten met lasergestuurde implosies op OMEGA hebben extreme materie gecreëerd bij een druk van enkele miljarden keer de atmosferische druk aan het aardoppervlak, zodat we kunnen onderzoeken hoe atomen en moleculen zich gedragen onder zulke extreme omstandigheden", zegt Hu. "Deze omstandigheden komen overeen met de omstandigheden in de zogenaamde omhulling van witte dwergsterren en inertiële fusiedoelen."

De onderzoekers gebruikten röntgenspectroscopie om te meten hoe straling door plasma's wordt getransporteerd. Bij röntgenspectroscopie wordt een stralingsbundel in de vorm van röntgenstraling gericht op een plasma van atomen - in dit geval koperatomen - onder extreme druk en hitte. De onderzoekers gebruikten de OMEGA-laser zowel om het plasma te creëren als om de op het plasma gerichte röntgenstraling te maken.

Wanneer het plasma wordt gebombardeerd met röntgenstralen, "springen" de elektronen in de atomen van het ene energieniveau naar het andere door fotonen van licht uit te zenden of te absorberen. Een detector meet deze veranderingen en onthult de fysieke processen die plaatsvinden in het plasma, vergelijkbaar met het maken van een röntgenfoto van een gebroken bot.

De experimentele metingen van de onderzoekers geven aan dat, wanneer straling door een dicht plasma reist, de veranderingen in atoomenergieniveaus niet de conventionele kwantummechanica-theorieën volgen die vaak worden gebruikt in modellen van plasmafysica - de zogenaamde "continuüm-verlagende" modellen.

De onderzoekers ontdekten in plaats daarvan dat de metingen die ze in hun experimenten waarnamen, het best kunnen worden verklaard met behulp van een zelfconsistente benadering op basis van dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) (**). DFT biedt een kwantummechanische beschrijving van de bindingen tussen atomen en moleculen in complexe systemen. De DFT-methode werd voor het eerst beschreven in de jaren zestig en was het onderwerp van de Nobelprijs voor scheikunde in 1998.

"Dit werk onthult fundamentele stappen voor het herschrijven van huidige handboekbeschrijvingen van hoe stralingsopwekking en -transport plaatsvindt in dichte plasma's", zegt Hu. "Volgens onze experimenten beschrijft het gebruik van een zelfconsistente DFT-benadering het transport van straling in een dicht plasma nauwkeuriger."

Nilson zegt: "Onze aanpak zou een betrouwbare manier kunnen zijn om de opwekking en het transport van straling te simuleren in dichte plasma's die we tegenkomen in sterren en doelen voor traagheidsfusie. Gebaseerd op een lasergestuurde implosie, kan het hier gerapporteerde experimentele schema gemakkelijk worden uitgebreid tot een breed scala aan materialen, wat de weg opent voor verreikende onderzoeken van extreme atoomfysica bij enorme druk.