Ondoorzichtigheid van stermaterie experimenteel gemeten

De zon en de sterren zijn ondoorzichtige gasbollen. Daardoor zien we alleen hun betrekkelijk koele buitenkant en blijft het veel hetere inwendige verborgen.

Deze ondoorzichtigheid (of opaciteit) is een zeer belangrijk gegeven in modellen waarmee men de bouw en evolutie van sterren bestudeert. Hij bepaalt onder andere de "moeite' die de in het centrum geproduceerde straling moet doen om het steroppervlak te bereiken. Fysici zijn er nu voor het eerst in geslaagd de mate van ondoorzichtigheid van zulke stermaterie in het laboratorium te meten.

Doordat de combinatie van zeer hoge temperatuur en dichtheid van stermaterie tot nu toe niet in het laboratorium kon worden bereikt, moesten de absorptie-eigenschappen van stermaterie langs theoretische weg worden afgeleid. Meer dan twintig jaar lang maakte men hierbij gebruik van de opaciteiten die berekend waren op het Los Alamos Laboratorium in de VS. Maar toen die berekeningen daar werden verricht, had men nog geen snelle computers en moest men zich wat de kernfysica betreft behelpen met verschillende benaderingen.

Onlangs heeft men op het Lawrence Livermore Laboratorium met behulp van supercomputers opnieuw de ondoorzichtigheid van stermaterie berekend. Tot de verbazing en verrassing van astronomen kwamen er nu veel hogere waarden uit de bus: bij een temperatuur van 300.000 graden was de ondoorzichtigheid van stermaterie zelfs driemaal zo groot. Men was verbaasd omdat was gedacht dat de oudere waarden tot op 25 procent nauwkeurig waren. En men was blij verrast omdat deze grotere waarde juist nodig was om verschillende problemen op het gebied van de bouw en evolutie van sterren te kunnen oplossen. Vooral het gedrag van regelmatig pulserende sterren wordt nu beter begrepen (Nature (359, p. 585).

Deze nieuwe, theoretisch afgeleide opaciteiten heeft men nu bovendien op het Lawrence Livermore Laboratorium aan de praktijk kunnen toetsen. Dat gebeurde met de Nova-laser, een van de krachtigste lasers ter wereld, onder andere gebruikt voor onderzoek naar beheerste kernfusie. Met een laserpuls van 3300 joule werd röntgenstraling opgewekt, waarmee vervolgens een 20 nanometer dik laagje ijzeratomen tot een temperatuur van 250.000 graden werd verhit (Phys. Rev. Lett. 69, p. 438).

De ondoorzichtigheid van het aldus gevormde plasma (een mengsel van atoomkernen en elektronen) werd gemeten met behulp van een tweede röntgenpuls, die op dezelfde manier werd geproduceerd. De gehele meting duurde niet langer dan een nanoseconde. Die ene miljardste seconde was echter voldoende om te kunnen aantonen dat de gemeten opaciteit opmerkelijk goed overeen komt met de voorspelde waarde en dat de astrofysici dus hun vertrouwen kunnen stellen in de nieuwe berekeningen.