Les résultats récemment publiés par un scientifique spatial du Southwest Research Institute (SwRI) ont jeté un nouvel éclairage sur la prédiction de la thermodynamique des éruptions solaires et d'autres événements de « météo spatiale » impliquant des températures chaudes, plasmas rapides.

La science de la mécanique statistique est l'un des piliers de la compréhension du comportement thermodynamique des phénomènes avec un grand nombre de particules, tels que les gaz. Les méthodes statistiques classiques ont résisté à l'épreuve du temps pour décrire les systèmes liés à la Terre, comme le mélange relativement dense de gaz qui compose notre air, explique le Dr George Livadiotis, chercheur principal à la Division des sciences et de l'ingénierie spatiales de SwRI.

A l'équilibre thermique, où l'énergie thermique est transférée également entre les particules de gaz, leur distribution tombe dans un rapport prévisible :beaucoup de particules à faible vitesse pour seulement quelques particules rapides. Les particules se déplacent de façon chaotique, se heurtent fréquemment. Une équation statistique, connue sous le nom de distribution de Maxwell-Boltzmann ou Maxwellienne, caractérise avec précision comment ce mélange de particules de différentes vitesses sera distribué sur Terre.

Cependant, Livadiotis dit, les choses sont différentes dans l'espace, qui n'est en fait pas vide mais rempli de plasma, le soi-disant quatrième état de la matière. Le plasma est constitué de particules chargées électriquement - ce n'est ni du gaz, liquide ni solide, bien qu'il se comporte souvent comme un gaz.

Le plasma spatial comme le vent solaire qui s'écoule vers l'extérieur du Soleil a un taux plus élevé de particules en mouvement rapide. Contrairement aux gaz sur Terre, ils sont "corrélés, " se déplaçant principalement dans la même direction afin qu'ils subissent moins de collisions les uns avec les autres. Pour cet ensemble de circonstances, le modèle de distribution maxwellien ne fonctionne plus bien. Livadiotis a confirmé qu'une équation statistique distincte, appelé "Kappa, " est plus applicable pour les phénomènes spatiaux.

Kappa est l'équation mathématique qui décrit la distribution des vitesses des particules à l'équilibre thermique lorsqu'il existe des corrélations entre les vitesses des particules, comme c'est typique pour les systèmes de particules spatiales sans collision.

"L'équation de Kappa calcule la distribution des vitesses de particules à l'équilibre thermique lorsque des flux de particules en mouvement rapide se déplacent en masse, " a-t-il dit. " C'est la situation typique pour les systèmes de particules tels que les plasmas spatiaux. "

Kappa prédit non seulement mieux les distributions de particules de plasma spatial, mais caractérise aussi mieux leur comportement thermodynamique que le modèle maxwellien, dit Livadiotis. Cela concerne ce qui se passe lorsque le plasma extrêmement chaud du vent solaire s'écrase sur la couverture protectrice de la Terre de particules chargées magnétiquement, connue sous le nom de magnétosphère.

"Les distributions Kappa ont permis aux scientifiques de faire les premières mesures de température de l'héliosphère externe, " dit Livadiotis. " Avec Kappa, nous pouvons considérablement améliorer notre compréhension de la nature et des propriétés de la matière spatiale, que ce soit le vent solaire, fusées éclairantes et éjections de masse coronale, ou des phénomènes rares et plus extrêmes comme les rayons cosmiques."

Son papier, "Origine thermodynamique des distributions Kappa, " est publié dans le 18 juin, 2018, édition de LPE , un journal de lettres explorant les frontières de la physique.