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Blanc - SIMI 5 - Physique subatomique et théories associées, astrophysique, astronomie et planétologie (Blanc SIMI 5)
Edition 2012


OPACITY


Calculs d’Opacité pour la Physique Stellaire et Validation expérimentale auprès des lasers de Haute Energie

OPACITY
Calculs d’Opacité pour la Physique Stellaire avec validation expérimentale.
This project will improve our knowledge of the absorption interaction of photons with plasmas in the domain of X and XUV for stellar thermodynamical conditions and elements of intermediate Z (typically oxygen) and up to Z = 28 (nickel). It will deliver also to a large international community, qualified opacity calculations for their own use.

CONTEXTE, POSITIONNEMENT ET OBJECTIFS DE LA PROPOSITION
This proposal is dedicated to astrophysical questions that we hope to solve:
- Is the present discrepancy between observed sound speed and standard solar model sound speed at the base of the convective zone and in the central radiative zone largely or partly due to inaccurate determination of the opacity coefficients?
- Was the microscopic diffusion underestimated due to incomplete opacity calculations?
The answer to these two questions are important to progress on the dynamics of the solar interior and the formation of stellar system with planets.
- Could we better understand massive stars and related seismic observations in improving the opacity calculations of the iron peak?. We shall concentrate in this proposal on the beta Cephei (8-12 solar masses) and the SPB stars (Slowly Pulsating stars (5-7 solar masses) that are on the main sequence.
- What is the impact of these calculations on the absolute values of the modes?
In parallel, the related efforts will benefit to young researchers who are now formed in plasma physics because the experiments in this field need a lot of expertise.
Plasma physics at high temperature (T > 200000 K) and density (up to solid density) is a totally new field in laboratory, so the applications are even not yet imagined.

PROGRAMME SCIENTIFIQUE ET TECHNIQUE, ORGANISATION DU PROJET
We have chosen two thermodynamical cases where problems have been identified and that need both immediate investigations on the role of opacity in the solution of these problems.
The first case corresponds to the radiative zone of the Sun or solar like stars for which we observe about 40 acoustic modes for at least 100 stars. The interesting installations are Z machine and new laser installations like ORION and PETAL+LMJ-4 quads that can produce plasmas closer to the local thermodynamical equilibrium (LTE). A first experiment on Z-machine added to other experimental checks on other installations has already qualified some aspect of the OPAS code together with some limitation of the existing codes, a second measurement on Z-machine could give new results this year. The installation of Bordeaux is not yet ready and needs detailed preparation for this huge site. So, due to the excellent observation of the inner Sun by several satellites, the present suspicion on the opacity calculations (figures 5) and the microscopic diffusion treatment, we will use immediately the OPAS effort who have already calculated the 21 elements that enter in the composition of the Sun.
The second case corresponds to lower temperature and density that can be checked in LULI2000, this case has already conducted us to perform experiments near this installation so the present measurements have to be analysed and compared to calculations. The first action will be to estimate the quality of the experiments and of our related opacity calculations coming from mainly the 3 French groups: OPAS, SCO-RCG, HULLAC. Other comparisons will be done with Los Alamos team, the English team and the academic OP new results. In these thermodynamical conditions, our objective will be to replace some incomplete absorption spectra and mean Rosseland values by more complete calculation for elements of the iron group and estimate the consequences of the progress.

Résultats

Our scientific aim is to perform new opacity calculations useful for two communities: the stellar community and the fusion community.
In the two mentioned thermodynamical conditions, our objective will be to replace some incomplete absorption spectra and mean Rosseland values by more complete calculation for elements of the iron group and estimate the consequences of the progress.

Perspectives

Improvements of the understanding of the helio and asteroseismic observations.

Productions scientifiques et brevets


Partenaires

CEA/DAM Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives

CEA/IRFU/SAp Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives

CELIA UMR 5107 Centre lasers intenses et applications

Laboratoire public

Aide de l'ANR 575 884 euros
Début et durée du projet scientifique janvier 2013 - 36 mois

Résumé de soumission

Ce projet a pour but d’améliorer la connaissance de l’interaction photons - plasmas dans le domaine X et XUV pour des conditions thermodynamiques rencontrées dans des plasmas stellaires. Cette information est extrêmement utile pour les sciences de la fusion, la physique atomique et l’astrophysique car elle gouverne le transport d’énergie dans les plasmas chauds.
Ce projet répondra spécifiquement à certains problèmes révélés à la communauté internationale de physique stellaire par l’observation sismique de milliers d’étoiles (missions spatiales SOHO, COROT et KEPLER) pour les éléments de Z intermédiaire, l’oxygène par exemple et jusqu’à Z= 28. Il délivrera aussi à une large communauté internationale des calculs d’opacité qualifiés, pour leur besoin propre.
Nous concentrerons notre étude complète (calculs, simulations, expériences) sur des éléments spécifiques (probablement oxygène, silicium, manganèse, chrome, fer, nickel, cuivre …) pour deux conditions de plasma correspondant - à la région radiative du Soleil et des étoiles de type solaire (T> 106K et densité autour de celle du solide) et - à celle de la bosse d’opacité du groupe du fer présente dans de nombreuses enveloppes d’étoiles massives pulsantes (dont les conditions d’ionisation équivalentes se situent autour de T= 2 105 K et des densités de quelques mg/cm3).
Ce projet contient trois parties: (1) la comparaison entre calculs utilisant différentes approches (OPAS, SCO-RCG, HULLAC et OP) pour déterminer précisément le rôle des différents termes de ces calculs ainsi que la justification ou non de certaines approximations et la confrontation avec d’autres calculs américains et anglais, (2) la validation par des expériences spécifiques réalisées auprès des lasers de puissance pour les enveloppes stellaires (LULI2000 à Polytechnique) ou auprès de la Z machine à Albuquerque à la limite de la région radiative solaire. Au cours des trois années du projet OPACITY, des simulations, réalisations et calibration des diagnostics seront effectués pour analyser les mesures existantes sur LULI2000 (cas enveloppes) et préparer des expériences sur l’installation formée par PETAL+ 4 quads LMJ (avec des actions spécifiques sur LULI2000, et ORION à Aldermaston au Royaume Uni). un des objectifs est d'avoir une proposition prête pour réaliser une première mesure d’opacité académique à Bordeaux dès que possible et reproduire des plasmas typiques du coeur solaire et ainsi compléter l'information américaine en montant en température et densité, (3) de développer des calculs d’opacité spécifiques pour la physique stellaire et d’en étudier les conséquences en physique stellaire et en sismologie puis de délivrer à la communauté internationale des tables validées.
Finalement ce travail pourra servir d’autres communautés comme celles de la fusion magnétique ou inertielle.
Depuis la création du consortium international OPAC il y a 4 ans suivant des travaux mis en place dès 1988 (plan théorique) et 1998 (plan expérimental), beaucoup d’activités ont déjà démarrées qui nous permettent d’être immédiatement opérationnels pour attaquer les différents aspects de ce projet. Des calculs et des expériences pour la Physique Stellaire ont déjà eu lieu et sont publiés par l’ensemble des membres du consortium. Ils démontrent la maturité de l’équipe française, qui est internationalement bien placée pour attaquer les différents problèmes décrits plus haut dans les meilleures conditions: nombre de participants et expertise.

 

Programme ANR : Blanc - SIMI 5 - Physique subatomique et théories associées, astrophysique, astronomie et planétologie (Blanc SIMI 5) 2012

Référence projet : ANR-12-BS05-0017

Coordinateur du projet :
Madame Sylvaine TURCK-CHIÈZE (Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives)
sylvaine.turck-chieze@nullcea.fr

Site internet du projet : http://ANR-OPACITY.com

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.