Speaker
Dr.
Guadalupe Espinosa
(Universidad de Las Palmas de Gran Canaria)
Description
La Astrofísica de Laboratorio (AL) es un tópico de investigación dentro del campo de la física de alta densidad de energía que ha venido ganando importancia en las dos últimas décadas, siendo en la actualidad un área que atrae mucha atención. El campo de la AL abarca el estudio teórico y experimental de la física que subyace bajo ciertos fenómenos físicos observados en el cosmos, en un régimen susceptible de presentarse en un laboratorio, evitando los inconvenientes que el análisis observacional suele presentar, tales como la distancia entre el observador y el fenómeno de estudio, las limitaciones tecnológicas, la imposibilidad de acceder al fenómeno en varias ocasiones, de repetirlo, o la imposibilidad de controlar las condiciones bajo las cuales se producen dichos fenómenos. En este sentido, la AL, que permite la cercanía al fenómeno y la capacidad de controlarlo y repetirlo, ha abierto un nuevo camino que usan los astrofísicos, y que une a físicos experimentales y teóricos en la investigación del Universo, ofreciendo además nuevos puntos de vista en los procesos de interpretación de los datos observacionales y de las teorías actuales sostenidas por la Astrofísica Moderna. Además, los experimentos realizados en el contexto de la AL proporcionan datos para la verificación y la validación de diversos aspectos de los códigos numéricos tales como la física atómica, la hidrodinámica, las ecuaciones de estado y la transferencia radiativa, códigos que se emplean en diversos campos de la física de alta densidad de energía.
Dos han sido los desarrollos que han contribuido al diseño exitoso de experimentos de AL. El primero es que se ha comprobado que la hidrodinámica puede ser escalada correctamente entre los escenarios astrofísicos y el laboratorio. Este hecho fue presentado por primera vez en el trabajo pionero de Ryutov et al. para un escenario astrofísico concreto (remanentes de supernova). Desde entonces, las condiciones que han de verificarse para un correcto escalado de un fenómeno astrofísico en laboratorio han sido extendidas a escenarios más complejos, incluyendo campos magnéticos o campos de radiación intensos.
El segundo desarrollo ha sido el empleo de láseres intensos y dispositivos de potencia pulsada, pensados inicialmente para otros campos de la alta densidad de energía como la fusión por confinamiento inercial, para conseguir las condiciones necesarias para los experimentos de AL, ya que permiten colocar a la materia en estados extremos de temperatura, densidad y velocidad.
Como se comentó anteriormente, los datos que proporcionan los experimento de AL son muy valiosos para verificar y validar los modelos teóricos y computacionales habitualmente empleados en la física de alta densidad de energía. En la bibliografía es común encontrar simulaciones hidrodinámicas (y, por tanto, macroscópicas) de los experimentos de AL, detectándose un vacío en el estudio, análisis y determinación de las propiedades microscópicas en el correcto estado termodinámico de los mismos (tales como ionizaciones medias, distribuciones iónicas, la cinética de poblaciones o las propiedades radiativas) de los plasmas generados en dichos experimentos. Sin embargo, este estudio microscópico es fundamental ya que muchas de estas propiedades microscópicas son necesarias para las simulaciones hidrodinámicas (opacidades e ionizaciones medias y pérdidas de potencia radiativas, entre otras, que muy comúnmente son calculadas en esas simulaciones con modelos atómicos sencillos o con modelos de cinética atómica simplificados basados en suponer al plasma en equilibrio Corona o equilibrio termodinámico local, ETL, aunque no se verifiquen las condiciones de los mismos), para la transferencia radiativa y para la diagnosis espectroscópica de las condiciones del plasma. Además, estos estudios microscópicos permiten conocer también la importancia de los efectos de reabsorción de la radiación (plasma grueso o delgado), de la estacionariedad o no del plasma, de los campos de radiación externos (plasmas fotoionizados), del régimen termodinámico del plasma (ETL o NETL) o de la presencia de diferentes elementos en el plasma (plasma multicomponente).
Este trabajo se enmarca dentro de ese contexto. Debido a nuestra participación como grupo teórico en varios experimentos de AL en el último lustro, hemos realizado análisis microscópicos de los plasmas que se generan en los mismos, con el fin de ilustrar los efectos anteriormente comentados en dichos experimentos y así servir de ayuda en las simulaciones hidrodinámicas posteriores, además de proporcionar información acerca de lo que ocurre microscópicamente en dichos experimentos. Con el fin de mostrar los estudios realizados, hemos seleccionado dos experimentos en particular. En el primero, se analizaron las ondas de choque radiativas generadas en laboratorio a través de la absorción de un láser intenso por un cluster de átomos de xenón o kriptón, las cuales emulaban las que se observan en los remanentes de supernova. En el segundo, se estudió las propiedades microscópicas de un jet de aluminio que se generaba en un dispositivo de potencia pulsada y de las ondas de choque que se creaban en la propagación de dicho jet en argón. El objetivo de este experimento era la reproducción en laboratorio de los jets que se generan en la formación de estrellas jóvenes y la interacción de los mismos con el medio interestelar. En ambos experimentos analizamos, también, de forma teórica la posibilidad de la aparición de inestabilidades térmicas por enfriamiento radiativo del plasma chocado que se encuentra justo detrás del frente de las ondas de choque radiativas generadas en esos experimentos. El estudio de dichas inestabilidades se hace comúnmente a través de la parametrización del coeficiente de enfriamiento. En nuestro estudio, dicha parametrización se realiza en función de la densidad y de la temperatura usando el código PARPRA y no solo de la densidad, como es común encontrarla en la bibliografía, ya que el plasma en los experimentos de AL se encuentra, en general, en NETL y la contribución más relevante a la emisión de radiación es la de transición de línea, a diferencia de los fenómenos astrofísicos que se emulan.
Para nuestro estudio teórico empleamos nuestros códigos para el cálculo de la cinética de poblaciones, MIXKIP [7], y de propiedades radiativas, RAPCAL [8]. Estos códigos permiten el cálculo de las poblaciones de nivel de los plasmas y las propiedades radiativas para plasmas mono y multicomponentes, en estado estacionario o no, delgados o gruesos, de número atómico alto, medio y bajo, en ETL y NETL e incluyendo campos de radiación externos.
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Dr.
Guadalupe Espinosa
(Universidad de Las Palmas de Gran Canaria)
