Mega-Gauss Plasma Jet Creation Using a Ring of Laser Beams

Résumé technique : Création d'un jet de plasma méga-gauss à l'aide d'un anneau de faisceaux laser

Énoncé du problème
Les jets de plasma magnétisés sont omniprésents dans les environnements astrophysiques, particulièrement dans les systèmes d'objets stellaires jeunes (YSO). Bien que la reconstitution de ces jets en laboratoire soit souhaitable pour étudier leurs processus physiques dans des conditions contrôlables, les méthodes existantes présentent des limitations significatives. Les interactions laser-cible solide traditionnelles génèrent des champs magnétiques via l'effet de batterie de Biermann, mais ces champs sont localisés à la taille du spot laser et décroissent rapidement à mesure que le plasma se développe. Les machines à impulsion de puissance peuvent créer de grands jets magnétisés, mais elles reposent sur des forces $j \times B$ induites de l'extérieur et des plasmas de faible densité, ce qui entraîne des dynamiques fondamentalement différentes de celles des jets pilotés par laser et hydrodynamiques. De plus, les tentatives antérieures de pilotage par laser utilisant des cibles de type feuille en forme de V pour obtenir une collimation souffrent de géométries intrinsèquement non cylindriques et d'instabilité. Par conséquent, il manque une plateforme de laboratoire capable de générer des jets de plasma supersoniques, cylindriques et stables, dotés de champs magnétiques auto-générés de l'ordre du méga-gauss (MG) s'étendant sur des distances macroscopiques.

Méthodologie
Pour répondre à cela, les auteurs ont utilisé l'installation laser OMEGA au Laboratoire d'Énergétique Laser (Université de Rochester). La conception expérimentale consistait à irradier une cible plate en plastique (CH) à l'aide de 20 faisceaux laser disposés en une configuration d'anneau creux. Le rayon de l'anneau ($d$) a été varié de 0 à 1200 $\mu$m, avec des intensités laser dépassant $10^{14}$ W/cm$^2$. Cette configuration a été motivée par des simulations 2D cylindriques FLASH, qui prédisaient qu'un pilotage laser en anneau creux comprimerait et chaufferait l'écoulement convergent sur l'axe, maintenant ainsi les champs magnétiques à de grandes distances.

Le plasma a été diagnostiqué par trois techniques principales :

1. Radiographie de protons (P-rad) : Utilisée pour diagnostiquer la structure et la force du champ magnétique.
2. Diffusion Thomson optique (TS) : Employée pour mesurer la densité électronique ($n_e$), la température électronique ($T_e$), la température ionique ($T_i$) et la vitesse d'écoulement au centre de la chambre de la cible (2,5 mm au-dessus de la cible).
3. Caméra à encadrement de rayons X (XRFC) : Utilisée pour l'imagerie chronophotographique de l'émission et de la morphologie du jet.

Ces résultats expérimentaux ont été comparés à des simulations 3D FLASH, qui intègrent la loi d'Ohm généralisée incluant l'advection, la diffusion et les termes de la batterie de Biermann.

Résultats clés
Les expériences ont démontré avec succès la création de jets de plasma supersoniques, cylindriques et stables avec des champs magnétiques auto-générés s'étendant au-delà de 4 mm de la cible.

• Génération de champ magnétique : La radiographie de protons a révélé qu'à mesure que le rayon de l'anneau ($d$) augmentait, le plasma magnétisé s'étendait davantage (~5 mm pour $d=1200$ $\mu$m). L'inversion directe des images de P-rad et la comparaison avec les simulations 3D FLASH indiquent que le champ magnétique orthogonal maximal ($B_z$) le long de l'axe du jet dépasse 1 méga-gauss (MG). La géométrie du champ est complexe : près de la cible, les champs sont dominés par des composantes toroïdales ($B_\phi$), tandis que près de l'axe à de plus grandes distances, le champ est dominé par des composantes poloïdales ($B_z$).
• Mécanisme : Les champs sources primaires sont générés par les collisions entre les éjections (blow-offs) provenant de chaque spot laser, créant des gradients de densité et de température non parallèles. Ces champs filamenteux sont transportés par advection vers l'axe du jet et compressés, amplifiant ainsi l'intensité du champ. L'analyse dimensionnelle équilibrant les termes d'advection et de batterie de Biermann soutient l'échelle observée, où $B_{max}$ augmente avec le rayon de l'anneau et la température électronique.
• Paramètres du plasma : Pour un rayon d'anneau de $d=800$ $\mu$m, le jet a atteint une densité axiale élevée, tandis que $d=1200$ $\mu$m a produit la température axiale la plus élevée. Les jets sont bien collimatés ; cependant, le dopage de la cible avec du fer (Fe) a entraîné un jet plus étroit en raison d'un refroidissement radiatif accru.
• Accord avec la simulation : Les simulations 3D FLASH ont montré un excellent accord avec les données expérimentales concernant la densité électronique, la vitesse d'écoulement et les tendances qualitatives des températures. Les images de radiographie de protons simulées correspondaient à l'espacement des stries et au contraste observés, validant les amplitudes et les géométries de champ prédites.

Signification et revendications
L'article affirme que cette plateforme de laser en anneau offre une approche unique et complémentaire pour l'étude des jets de plasma magnétisés. Sa principale importance réside dans sa capacité à créer des jets cylindriques stables avec des champs méga-gauss auto-générés qui s'étendent sur des distances macroscopiques, un régime impossible à atteindre avec des lasers à spot unique ou des cibles en forme de coin (V-wedge).

Les auteurs soutiennent que les paramètres adimensionnels de ces jets de laboratoire (incluant le $\beta$ du plasma, $\sigma$ de flux, le nombre de Mach, le nombre de Reynolds et le nombre de Reynolds magnétique) se situent dans le même régime que les jets YSO. Cette extensibilité suggère que la plateforme est adaptée pour étudier :

• Les effets stabilisants des champs magnétiques poloïdaux forts sur les jets YSO.
• Les chocs magnétisés, les écoulements de cisaillement et les processus de reconnexion.
• La conduction thermique anisotrope, où le transport des électrons est supprimé perpendiculairement au champ magnétique mais reste de type Spitzer parallèlement à celui-ci.

L'étude souligne qu'en ajustant le rayon de l'anneau et les paramètres laser, les chercheurs peuvent varier de manière contrôlée la densité, la température, la vitesse d'écoulement et la force du champ magnétique, permettant ainsi l'investigation systématique de la dynamique des jets astrophysiques dans un cadre de laboratoire. Les auteurs notent également un potentiel d'expansion future, telle que l'utilisation de dopants à haut Z pour atteindre des régimes à faible $\beta$ ou l'utilisation de cibles en forme de cône pour augmenter la convergence et la force du champ.