UN NUOVO ESPERIMENTO PER STUDIARE LA FISICA DEI PLASMI

Laser potentissimi dritti al cuore delle nane rosse

In un recente articolo pubblicato sulla rivista Physics of Plasmas, un team di ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory descrive un nuovo esperimento per studiare la fisica in azione nelle profondità delle nane rosse e far luce sui meccanismi di trasporto dell'energia prodotta da queste piccole fornaci nucleari

     13/09/2022
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Illustrazione artistica che mostra una nana rossa in orbita attorno a un ipotetico esopianeta. Crediti: Nasa, Esa and D. Player (Stsci)

Le nane rosse sono le stelle più abbondanti della nostra galassia, la Via Lattea, costituendo circa il 70 per cento di tutte le stelle presenti. Sono astri piccoli, “freddi” ed estremamente longevi: la loro piccola massa fa sì che al loro interno la temperatura sia appena sufficiente a innescare le reazioni nucleari che trasformano l’idrogeno in elio, di conseguenza queste reazioni procedono a un ritmo molto lento, conferendo all’astro una vita molto lunga.

A differenza della nostra stella, il Sole, le nane rosse sono dunque piccole fornaci nucleari. Fornaci la cui fisica ha ancora dei punti interrogativi. Non è chiaro, ad esempio, se l’energia generata nei loro nuclei dalla fusione nucleare si propaghi verso la superficie tramite irraggiamento (un po’ come accade al calore che viene liberato da un termosifone), convezione (come accade all’acqua che bolle all’interno di una pentola) o una combinazione dei due processi.

Un modo per rispondere a questa domanda consiste nel determinare l’opacità del plasma stellare – una misura della resistenza di un materiale a farsi attraversare da un flusso di calore – che nella maggior parte degli interni stellari è determinata da tutti i processi che disperdono e assorbono i fotoni. Si tratta di un processo opposto alla trasparenza – una misura della capacità di un materiale di farsi attraversare dai fotoni – che oltre a dipendere dalla composizione chimica (alcuni elementi assorbono la luce più facilmente di altri elementi), dipende anche dalla temperatura e dalla densità del mezzo. Non potendo sondare direttamente gli stati della materia negli interni stellari, per effettuare questa misura un team di ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (Llnl), negli Usa, propone ora un nuovo esperimento in laboratorio.

Descritto in un recente articolo pubblicato sulla rivista Physics of Plasmas, l’esperimento prevede l’utilizzo della National Ignition Facility – il più grande strumento di ricerca con laser al mondo, che si trova a Livermore, California – per ricreare le condizioni degli interni di queste stelle e ottenere così il primo modello dell’opacità dovuta all’assorbimento collisionale di fotoni (free-free absorption, in inglese) e allo scattering di Thomson, tra tutti i meccanismi che danno luogo a opacità radiativa di un plasma, quelli ritenuti dominanti nelle nane rosse.

L’esperimento, il cui concetto è mostrato nell’immagine qui in basso, si basa sull’utilizzo di 184 dei 192 laser del National Ignition Facility per riscaldare uno speciale cilindro costituito da uranio impoverito e oro chiamato Hohlraum, contenente al centro una capsula con strati di idrogeno solido criogenico. Quando i 184 laser colpiscono il cilindro, si crea un campo di radiazione che riscalda l’idrogeno all’interno della capsula fino a milioni di gradi Celsius. Come conseguenza, la capsula implode, comprimendo l’idrogeno a densità estreme. A questo punto, i raggi X prodotti dagli otto laser rimanenti dello strumento permetteranno di sondare lo stato del plasma denso, mentre un imager consentirà di ottenere radiografie del gas dalle quali i ricercatori dedurranno i profili di opacità.

Crediti: J. Lütgert et al., Physics of Plasmas, 2022

La struttura interna di una stella, spiegano i ricercatori, ha un forte impatto sull’attività della sua superficie. Al confine tra un nucleo radiativo e uno strato convettivo si possono formare forti campi magnetici che portano a esplosioni di plasma, le quali a loro volta possono spogliare un pianeta vicino della sua atmosfera e rendere la superficie inospitale per la vita come la conosciamo.

«Ma anche un piccolo nucleo radiativo può cambiare fortemente il comportamento di una stella, e la sua esistenza dipende in modo cruciale dall’efficacia del trasporto di radiazioni nella materia altamente compressa», sottolinea Tilo Döppner, fisico al Lawrence Livermore National Laboratory e co-autore della pubblicazione. «Comprendere le proprietà radiative dei plasmi complessi all’interno di una stella ospite è fondamentale quando si valuta la possibilità che un esopianeta ospiti la vita. Questo vale anche per le nane rosse, la cui zona abitabile si pensa sia localizzata relativamente vicino a causa della bassa temperatura superficiale».

In questo studio, descriviamo un esperimento per sfruttare le capacità uniche della National Ignition Facility per studiare in laboratorio le profondità delle nane rosse e fare luce sui meccanismi interni di trasporto di energia, concludono i ricercatori. Questo primissimo test sperimentale sui modelli di opacità della materia aiuterà a stabilire il confine in cui, all’interno di questi oggetti celesti, il ​​trasporto di energia è dominato da fenomeni radiativi o dalla convezione. I risultati dell’esperimento saranno un punto di riferimento per i modelli di struttura interna dei plasmi di oggetti astrofisici ricchi di idrogeno, che possono essere rivisitati alla luce dei nuovi vincoli di opacità.

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