Un champ magnétique dipolaire, créé par un courant annulaire, est le type de champ magnétique le plus fondamental que l’on trouve à la fois dans les laboratoires et dans l’espace. Les magnétosphères planétaires, comme celle de Jupiter, confinent efficacement le plasma.

Le projet RT-1 vise à apprendre de la nature et à créer un plasma haute performance de type magnétosphère pour réaliser une énergie de fusion avancée. Simultanément, la magnétosphère artificielle offre un moyen de comprendre expérimentalement les mécanismes des phénomènes naturels dans un environnement simplifié et contrôlé.

Le Ring Trap-1 (RT-1) est un appareil expérimental situé à l'Université de Tokyo. Utilisant une technologie supraconductrice à haute température, une bobine de champ dipolaire est mise en lévitation magnétique, permettant de mener des expériences sur le plasma dans un environnement proche de celui de la magnétosphère planétaire.

L'émission de chœur en mode siffleur, observée dans l'espace entourant la Terre, connu sous le nom de « géoespace », est un phénomène important lié aux aurores et à la météorologie spatiale. L'émission de chœur a été activement étudiée principalement par le biais d'observations d'engins spatiaux, d'études théoriques et de simulations numériques.

Si les vaisseaux spatiaux constituent des outils puissants pour étudier l’environnement spatial réel, la magnétosphère planétaire est un système immense et complexe, difficile à comprendre dans son intégralité. De plus, il n'est pas facile pour les êtres humains de manipuler l'environnement spatial.

Au contraire, les environnements de laboratoire nous permettent de créer un objet de recherche simplifié extrait des propriétés complexes de la nature dans un environnement contrôlé. Par conséquent, les études expérimentales devraient jouer un rôle complémentaire dans l’observation et la théorie de la compréhension des émissions de chœur. Cependant, il n’est pas simple de créer un environnement magnétosphérique en laboratoire. Jusqu'à présent, aucune expérience en laboratoire sur les émissions de chœur dans un champ magnétique dipolaire magnétosphérique n'a été menée.

Une équipe de recherche de l'Institut national des sciences de la fusion de Toki, au Japon, et de la Graduate School of Frontier Sciences de l'Université de Tokyo à Kashiwa, au Japon, a mené avec succès des études en laboratoire sur l'émission de chœur en mode siffleur à l'aide du dispositif RT-1. Cette "magnétosphère artificielle" possède une bobine supraconductrice à lévitation magnétique pour créer un champ magnétique dipolaire de type magnétosphère planétaire en laboratoire.

Grâce à la technologie supraconductrice à haute température, une bobine de 110 kg est mise en lévitation magnétique dans une enceinte à vide et le champ magnétique généré confine le plasma. Cette configuration unique permet un fonctionnement sans aucune structure de support mécanique pour la bobine, ce qui permet de générer du plasma dans un environnement similaire à celui d'une magnétosphère planétaire, même au sein d'une installation au sol.

Dans cette étude, l'équipe de recherche a rempli l'enceinte à vide du RT-1 avec de l'hydrogène gazeux et a injecté des micro-ondes pour créer un plasma d'hydrogène haute performance, principalement en chauffant des électrons.

Au cours des expériences, des plasmas ont été générés dans différents états et des recherches sur la génération d'ondes ont été menées. Par conséquent, une production spontanée de l'émission du chœur de l'onde sifflante a été observée lorsque le plasma contenait un taux considérable d'électrons à haute température.

Des mesures ont également été prises de la force et de la fréquence de l'émission du chœur du plasma, en se concentrant sur sa densité et l'état des électrons à haute température.

Les résultats, publiés dans Nature Communications , a révélé que la génération d'une émission de chœur est provoquée par une augmentation du nombre d'électrons à haute température, responsables de la pression du plasma. De plus, l'augmentation de la densité globale du plasma a eu pour effet de supprimer la génération de l'émission de chœur.

Grâce à cette étude, il a été précisé que l'émission de chœur est un phénomène universel se produisant dans un plasma avec des électrons à haute température dans un champ magnétique dipolaire simple. Les propriétés révélées par l'expérience, notamment les conditions d'apparence et la propagation des ondes, pourraient améliorer notre compréhension de l'émission de chœur et des phénomènes associés observés dans le géoespace.

Les ondes électromagnétiques d'une émission chorale ont le potentiel d'accélérer davantage les électrons chauds vers des états d'énergie plus élevés, conduisant à la formation d'aurores et de pannes de satellites. Ces ondes électromagnétiques, ainsi que les particules énergétiques, jouent un rôle crucial dans les phénomènes météorologiques spatiaux.

Dans le géospatial, lorsque des événements explosifs (éruptions cutanées) se produisent à la surface du Soleil, ils provoquent des orages magnétiques, provoquant de grandes fluctuations du champ électromagnétique et générant de grandes quantités de particules énergétiques. Cela provoque non seulement des pannes de satellites et un impact sur la couche d'ozone, mais il est également connu qu'il perturbe les réseaux électriques et de communication au sol.

Avec l’expansion de l’activité humaine aujourd’hui, la compréhension des phénomènes météorologiques spatiaux devient de plus en plus importante. Cependant, de nombreux mécanismes et phénomènes dans ce domaine restent non résolus. Les résultats de cette étude devraient contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes à l'origine des divers phénomènes météorologiques spatiaux.

Dans le domaine du plasma de fusion, qui vise à résoudre à terme les problèmes énergétiques, la perte de particules et la formation de structures dues à l'interaction avec les ondes sont l'une des questions centrales de recherche. Une compréhension précise des interactions complexes entre les ondes spontanément excitées et le plasma est essentielle pour réaliser la fusion.

Des phénomènes d'ondes avec des variations de fréquence ont été largement observés dans les plasmas à haute température pour la fusion, indiquant l'existence d'un mécanisme physique commun avec l'émission du chœur.

Les résultats de cette étude représentent un pas en avant dans la compréhension des phénomènes physiques courants observés dans les plasmas de fusion et spatiaux. Il est prévu que les recherches futures progresseront davantage grâce à une coopération accrue entre ces deux domaines.>

Les ondes de Whistler sont l'une des ondes fondamentales qui se propagent dans le plasma. Dans les émissions de chœur observées autour du géoespace et de Jupiter, des événements de fluctuation avec des variations de fréquence similaires au chant des oiseaux se produisent à plusieurs reprises. On pense qu'ils sont étroitement liés aux aurores et aux phénomènes météorologiques spatiaux, tels que la production et le transport d'électrons de haute énergie.

Plus d'informations : Haruhiko Saitoh et al, Étude expérimentale sur l'émission de chœur dans une magnétosphère artificielle, Nature Communications (2024). DOI :10.1038/s41467-024-44977-x

Fourni par les Instituts nationaux des sciences naturelles