Une machine à miroir est un réacteur à fusion linéaire. Il permet aux scientifiques d'appliquer la recherche dans les machines à une compréhension des phénomènes du vent solaire. Crédit :Cary Forest / UW-Madison
Lorsqu'un extincteur est ouvert, le dioxyde de carbone comprimé forme des cristaux de glace autour de la buse, fournissant un exemple visuel du principe physique selon lequel les gaz et les plasmas se refroidissent lorsqu'ils se dilatent. Lorsque notre soleil expulse du plasma sous forme de vent solaire, le vent se refroidit également à mesure qu'il se dilate dans l'espace, mais pas autant que les lois de la physique le prédisent.
Dans une étude publiée le 14 avril dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , Les physiciens de l'Université du Wisconsin-Madison fournissent une explication de l'écart de température du vent solaire. Leurs résultats suggèrent des moyens d'étudier les phénomènes du vent solaire dans les laboratoires de recherche et d'en apprendre davantage sur les propriétés du vent solaire dans d'autres systèmes stellaires.
"Les gens étudient le vent solaire depuis sa découverte en 1959, mais il existe de nombreuses propriétés importantes de ce plasma qui ne sont pas encore bien comprises, " dit Stas Boldyrev, professeur de physique et auteur principal de l'étude. "Initialement, les chercheurs pensaient que le vent solaire doit se refroidir très rapidement à mesure qu'il se dilate à partir du soleil, mais les mesures satellitaires montrent que lorsqu'il atteint la Terre, sa température est 10 fois plus élevée que prévu. Donc, une question fondamentale est :pourquoi ne refroidit-il pas ? »
Le plasma solaire est un mélange fondu d'électrons chargés négativement et d'ions chargés positivement. En raison de cette charge, le plasma solaire est influencé par des champs magnétiques qui s'étendent dans l'espace, généré sous la surface solaire. Alors que le plasma chaud s'échappe de l'atmosphère la plus externe du soleil, sa couronne, il traverse l'espace comme le vent solaire. Les électrons du plasma sont des particules beaucoup plus légères que les ions, ils se déplacent donc environ 40 fois plus vite.
Avec plus d'électrons chargés négativement qui s'écoulent, le soleil prend une charge positive. Cela rend plus difficile pour les électrons d'échapper à l'attraction du soleil. Certains électrons ont beaucoup d'énergie et continuent de voyager sur des distances infinies. Ceux qui ont moins d'énergie ne peuvent pas échapper à la charge positive du soleil et sont attirés vers le soleil. Comme ils le font, certains de ces électrons peuvent être légèrement déroutés par des collisions avec le plasma environnant.
"Il existe un phénomène dynamique fondamental qui dit que les particules dont la vitesse n'est pas bien alignée avec les lignes de champ magnétique ne sont pas capables de se déplacer dans une région à fort champ magnétique, " Boldyrev dit. " Ces électrons de retour sont réfléchis de sorte qu'ils s'éloignent du soleil, mais encore une fois, ils ne peuvent pas s'échapper à cause de la force électrique attractive du soleil. Donc, leur destin est de rebondir, créant une grande population de soi-disant électrons piégés."
Dans un effort pour expliquer les observations de température dans le vent solaire, Boldyrev et ses collègues, Les professeurs de physique de l'UW-Madison Cary Forest et Jan Egedal se sont penchés sur un sujet connexe, mais distinct, domaine de la physique des plasmas pour une explication possible.
Le vent solaire provoque des événements tels des aurores, comme celui-ci photographié par un astronaute américain après s'être amarré à la Station spatiale internationale. Il peut également interférer avec les communications par satellite et déformer le champ magnétique terrestre. Crédit :NASA
À l'époque où les scientifiques ont découvert le vent solaire, les chercheurs en fusion plasma réfléchissaient à des moyens de confiner le plasma. Ils ont développé des « machines à miroirs, " ou des lignes de champ magnétique remplies de plasma en forme de tubes aux extrémités pincées, comme des bouteilles avec des cols ouverts à chaque extrémité.
Lorsque les particules chargées du plasma se déplacent le long des lignes de champ, ils atteignent le goulot d'étranglement et les lignes de champ magnétique sont pincées. La pincée agit comme un miroir, reflétant les particules dans la machine.
"Mais certaines particules peuvent s'échapper, et quand ils le font, ils coulent le long des lignes de champ magnétique en expansion à l'extérieur de la bouteille. Parce que les physiciens veulent garder ce plasma très chaud, ils veulent comprendre comment la température des électrons qui s'échappent de la bouteille diminue en dehors de cette ouverture, " Boldyrev dit. " C'est très similaire à ce qui se passe dans le vent solaire qui s'éloigne du soleil. "
Boldyrev et ses collègues pensaient pouvoir appliquer la même théorie des machines à miroirs au vent solaire, en regardant les différences entre les particules piégées et celles qui s'échappent. Dans les études de machines à miroirs, les physiciens ont découvert que les électrons très chauds qui s'échappaient de la bouteille étaient capables de distribuer lentement leur énergie thermique aux électrons piégés.
"Dans le vent solaire, les électrons chauds affluent du soleil à de très grandes distances, perdant très lentement leur énergie et la distribuant à la population piégée, " Boldyrev says. "It turns out that our results agree very well with measurements of the temperature profile of the solar wind and they may explain why the electron temperature declines with the distance so slowly, " Boldyrev says.
The accuracy with which mirror machine theory predicts solar wind temperature opens the door for using them to study solar wind in laboratory settings.
"Maybe we'll even find some interesting phenomena in those experiments that space scientists will then try to look for in the solar wind, " Boldyrev says. "It's always fun when you start doing something new. You don't know what surprises you'll get."
