Per la prima volta, i ricercatori hanno isolato in un laboratorio controllato gli effetti della geometria del plasma nel suo spettro di emissione di raggi X, la distribuzione dell'energia della radiazione emessa dai plasmi.

Il lavoro è anche il primo banco di prova sperimentale delle teorie che descrivono un fenomeno noto in astrofisica come scattering risonante. Questo fenomeno si trova in un plasma di dimensioni e densità sufficienti in cui i fotoni vengono emessi all'interno del sistema e hanno una probabilità di essere riassorbiti e riemessi più volte. Inoltre, i ricercatori hanno osservato per la prima volta l'inversione geometrica di un plasma semplicemente dal suo spettro.

Guidato dal ricercatore post-dottorato Gabriel Pérez-Callejo, ora all'Università di Bordeaux, e colleghi del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), il lavoro è stato descritto in Physical Review Letters. Il lavoro è stato condotto come parte della serie sperimentale OpticalDepth presso l'Omega Laser Facility presso l'Università di Rochester ed è stata una collaborazione tra LLNL e l'Università di Oxford.

"Gli spettri dei plasmi non isotropi, fondamentali per diagnosticare le loro temperature e densità, variano a seconda della posizione dell'osservatore, " disse Perez-Callejo, autore principale dell'opera. "Sebbene ci siano approcci teorici a questo problema, a causa della difficoltà di isolare la geometria del plasma da altre variabili, non era stata ancora ottenuta alcuna conferma sperimentale. Siamo ora in grado di ottenere informazioni su come cambia la geometria di un plasma, semplicemente dal suo spettro di raggi X."

Essere in grado di studiare come queste variazioni geometriche dipendono dall'angolo di vantaggio per diverse geometrie fornirà nuove informazioni su dati astrofisici anomali e può anche essere utilizzato per diagnosticare le condizioni delle implosioni di fusione a confinamento inerziale (ICF).

Pérez-Callejo ha spiegato che il lavoro andrà a beneficio dell'astrofisica in quanto i ricercatori potrebbero determinare la geometria delle strutture all'interno di ammassi di galassie o atmosfere stellari, che non possono essere risolti con gli strumenti attuali. Ha detto che la ricerca andrà a beneficio anche degli esperimenti ICF che utilizzano traccianti cilindrici.

"Questo può essere fatto risolvendo nel tempo lo spettro del tracciante e osservando come la sua geometria cambia nel tempo, " ha detto. "I ricercatori possono ottenere ulteriori informazioni sull'evoluzione idrodinamica dell'implosione".

"Il nostro obiettivo è stato fornire basi sperimentali e teoriche per adottare una nozione più intuitiva di un processo fisico che spesso sembra eccessivamente complesso, " ha detto Duane Liedhal, Leader del team teorico LLNL. "L'effetto di scattering risonante ha le sue radici storiche nell'astrofisica osservativa e teorica. Ora possiamo restituire qualcosa agli astronomi che stanno lavorando per dedurre condizioni fisiche e geometrie delle sorgenti di radiazioni che, ovviamente, non può essere controllato. La fertilizzazione incrociata tra due campi altrimenti disparati, astrofisica e fisica HED, che funzionano su dimensioni e tempistiche molto diverse, è uno degli aspetti più entusiasmanti di questo progetto."

Per condurre i lavori, i ricercatori hanno utilizzato obiettivi cilindrici di berillio (Be) che contenevano un disco sepolto di una miscela di scandio/vanadio (Sc/V). Riprendendo sia la parte anteriore che quella posteriore del Be con lo stesso profilo di irradiazione laser, i ricercatori sono riusciti a generare un cilindro di plasma Sc/V uniforme.

Sono state utilizzate telecamere a raggi X per osservare sia l'espansione assiale che radiale dei bersagli (fornendo così misurazioni della loro geometria e densità in ogni momento) e spettrometri con cornice a raggi X per misurare i loro spettri, sia per l'emissione in direzione assiale che radiale (e quindi ottenere la loro temperatura e emissione spettrale in ogni momento).

Modificando il raggio del disco del livello sepolto, i ricercatori sono riusciti a generare due plasmi che si sono evoluti seguendo gli stessi percorsi di temperatura e densità, ma aveva un raggio diverso (lo spessore del disco seguiva lo stesso percorso in entrambi i casi). Ciò ha fornito al team misurazioni spettrali dell'effetto diretto della sola modifica del raggio del plasma.

Il team ha condotto la ricerca presso la struttura Omega e ha dimostrato l'effetto negli spettri di raggi X emessi dai plasmi cilindrici generati dall'irradiazione laser ad alta potenza, confermando l'interpretazione geometrica dello scattering risonante.