L'univers est hautement magnétique, avec tout, des étoiles aux planètes en passant par les galaxies produisant leurs propres champs magnétiques. Les astrophysiciens se sont longtemps interrogés sur ces champs étonnamment forts et à longue durée de vie, avec des théories et des simulations cherchant un mécanisme qui explique leur génération.

En utilisant l'une des installations laser les plus puissantes au monde, une équipe dirigée par des scientifiques de l'Université de Chicago a confirmé expérimentalement l'une des théories les plus populaires pour la génération de champ magnétique cosmique :la dynamo turbulente. En créant un plasma turbulent chaud de la taille d'un sou, qui dure quelques milliardièmes de seconde, les chercheurs ont enregistré comment les mouvements turbulents peuvent amplifier un champ magnétique faible aux forces de ceux observés dans notre soleil, étoiles lointaines, et galactiques.

Le papier, publié cette semaine dans Communication Nature , est la première démonstration en laboratoire d'une théorie, expliquant le champ magnétique de nombreux corps cosmiques, débattue par les physiciens pendant près d'un siècle. En utilisant le code de simulation physique FLASH, développé par le Flash Center for Computational Science à UChicago, les chercheurs ont conçu une expérience menée à l'installation laser OMEGA à Rochester, NY pour recréer des conditions de dynamo turbulentes.

Confirmant des décennies de simulations numériques, l'expérience a révélé que le plasma turbulent pouvait augmenter considérablement un champ magnétique faible jusqu'à la magnitude observée par les astronomes dans les étoiles et les galaxies.

"Nous savons maintenant avec certitude que la dynamo turbulente existe, et que c'est l'un des mécanismes qui peuvent réellement expliquer l'aimantation de l'univers, " a déclaré Petros Tzeferacos, professeur assistant de recherche en astronomie et astrophysique et directeur associé du Flash Center. "C'est quelque chose que nous espérions savoir, mais maintenant nous le faisons."

Une dynamo mécanique produit un courant électrique en faisant tourner des bobines à travers un champ magnétique. En astrophysique, la théorie de la dynamo propose l'inverse :le mouvement d'un fluide électriquement conducteur crée et maintient un champ magnétique. Au début du 20e siècle, le physicien Joseph Larmor a proposé qu'un tel mécanisme pourrait expliquer le magnétisme de la Terre et du Soleil, des décennies inspirantes de débats et d'enquêtes scientifiques.

Alors que les simulations numériques ont démontré que le plasma turbulent peut générer des champs magnétiques à l'échelle de ceux observés dans les étoiles, planètes, et galaxies, créer une dynamo turbulente en laboratoire était beaucoup plus difficile. Confirmer la théorie nécessite de produire du plasma à une température et une volatilité extrêmement élevées pour produire la turbulence suffisante pour se replier, étirer et amplifier le champ magnétique.

Pour concevoir une expérience qui crée ces conditions, Tzeferacos et ses collègues de UChicago et de l'Université d'Oxford ont effectué des centaines de simulations bidimensionnelles et tridimensionnelles avec FLASH sur le supercalculateur Mira du laboratoire national d'Argonne. La configuration finale impliquait de faire sauter deux morceaux de papier d'aluminium de la taille d'un sou avec des lasers puissants, propulser deux jets de plasma à travers des grilles et entrer en collision l'un avec l'autre, créant un mouvement fluide turbulent.

« Les gens rêvaient de faire cette expérience avec des lasers depuis longtemps, mais il a vraiment fallu l'ingéniosité de cette équipe pour y arriver, " a déclaré Donald Lamb, le professeur émérite du service distingué Robert A. Millikan en astronomie et astrophysique et directeur du Flash Center. "C'est une énorme percée."

L'équipe a également utilisé des simulations FLASH pour développer deux méthodes indépendantes de mesure du champ magnétique produit par le plasma :la radiographie protonique, l'objet d'un article récent du groupe FLASH, et lumière polarisée, basé sur la façon dont les astronomes mesurent les champs magnétiques d'objets distants. Les deux mesures ont suivi la croissance en quelques nanosecondes du champ magnétique de son état initial faible à plus de 100 kiloGauss, soit plus fort qu'un scanner IRM haute résolution et un million de fois plus fort que le champ magnétique de la Terre.

"Ce travail ouvre la possibilité de vérifier expérimentalement des idées et des concepts sur l'origine des champs magnétiques dans l'univers qui ont été proposés et étudiés théoriquement au cours de la plus grande partie d'un siècle, " dit Fausto Cattaneo, Professeur d'astronomie et d'astrophysique à l'Université de Chicago et co-auteur de l'article.

Maintenant qu'une dynamo turbulente peut être créée en laboratoire, les scientifiques peuvent explorer des questions plus profondes sur sa fonction :à quelle vitesse le champ magnétique augmente-t-il de force ? Quelle est la force du champ? Comment le champ magnétique modifie-t-il les turbulences qui l'ont amplifié ?

"C'est une chose d'avoir des théories bien développées, mais c'est une autre chose de vraiment le démontrer dans un laboratoire contrôlé où vous pouvez faire toutes sortes de mesures sur ce qui se passe, " Lamb dit. " Maintenant que nous pouvons le faire, nous pouvons le pousser et le sonder."