Des scientifiques du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) et de l'Université de Princeton ont proposé une solution révolutionnaire à un mystère qui a intrigué les physiciens pendant des décennies. Le problème est de savoir comment la reconnexion magnétique, un processus universel qui déclenche des éruptions solaires, aurores boréales et sursauts gamma cosmiques, se produit tellement plus rapidement que la théorie ne le dit devrait être possible. La réponse pourrait aider les prévisions de tempêtes spatiales, expliquer plusieurs phénomènes astrophysiques de haute énergie, et améliorer le confinement du plasma dans des dispositifs magnétiques en forme de beignet appelés tokamaks conçus pour obtenir de l'énergie à partir de la fusion nucléaire.

La reconnexion magnétique a lieu lorsque les lignes de champ magnétique noyées dans un plasma - le chaud, gaz chargé qui représente 99% de l'univers visible - convergent, se séparer et se reconnecter de manière explosive. Ce processus se déroule dans des feuilles minces dans lesquelles le courant électrique est fortement concentré.

Selon la théorie conventionnelle, ces feuilles peuvent être très allongées et restreindre fortement la vitesse des lignes de champ magnétique qui se rejoignent et se séparent, rendant impossible une reconnexion rapide. Cependant, l'observation montre qu'une reconnexion rapide existe, contredisant directement les prédictions théoriques.

Théorie détaillée pour une reconnexion rapide

Maintenant, des physiciens de PPPL et de l'Université de Princeton ont présenté une théorie détaillée du mécanisme qui conduit à une reconnexion rapide. Leur papier, publié dans la revue Physique des plasmas en octobre, se concentre sur un phénomène appelé « instabilité plasmoïde » pour expliquer le début du processus de reconnexion rapide. Le soutien à cette recherche provient de la National Science Foundation et du DOE Office of Science.

Instabilité plasmoïde, qui brise les nappes de courant plasma en petits îlots magnétiques appelés plasmoïdes, a suscité un intérêt considérable ces dernières années en tant que mécanisme possible de reconnexion rapide. Cependant, l'identification correcte des propriétés de l'instabilité a été insaisissable.

L'article sur la physique des plasmas aborde cette question cruciale. Il présente "une théorie quantitative pour le développement de l'instabilité plasmoïde dans les nappes de courant plasmatique qui peut évoluer dans le temps", a déclaré Luca Comisso, auteur principal de l'étude. Les co-auteurs sont Manasvi Lingam et Yi-Ming Huang de PPPL et Princeton, et Amitava Bhattacharjee, chef du département de théorie au PPPL et professeur de sciences astrophysiques à Princeton.

Le principe de Pierre de Fermat

L'article décrit comment l'instabilité plasmoïde commence dans une phase linéaire lente qui passe par une période de repos avant d'accélérer dans une phase explosive qui déclenche une augmentation spectaculaire de la vitesse de reconnexion magnétique. Pour déterminer les caractéristiques les plus importantes de cette instabilité, les chercheurs ont adapté une variante du 17ème siècle "principe du moindre temps" créé par le mathématicien Pierre de Fermat.

L'utilisation de ce principe a permis aux chercheurs de dériver des équations pour la durée de la phase linéaire, et pour calculer le taux de croissance et le nombre de plasmoïdes créés. D'où, cette approche du moindre temps a conduit à une formule quantitative pour le temps d'apparition de la reconnexion magnétique rapide et la physique qui la sous-tend.

Le journal a également produit une surprise. Les auteurs ont constaté que de telles relations ne reflètent pas les lois traditionnelles du pouvoir, dans laquelle une quantité varie en puissance d'une autre. "Il est courant dans tous les domaines de la science de rechercher l'existence de lois de puissance, " les chercheurs ont écrit. " En revanche, nous constatons que les relations d'échelle de l'instabilité plasmoïde ne sont pas de vraies lois de puissance - un résultat qui n'a jamais été dérivé ou prédit auparavant."