Le chercheur principal Chikang Li veut expérimenter avec les étoiles. Intrigué par un curieux phénomène de « kink » observé dans la nébuleuse du Crabe, un nuage interstellaire de gaz et de poussière qui s'est formé à la suite d'une explosion de supernova, il a cherché des réponses. Les images de l'observatoire à rayons X Chandra montrent qu'un jet de plasma sortant directement de l'étoile à neutrons au centre de la nébuleuse semble changer de direction toutes les quelques années, sans changer sa structure. Pourquoi? Les scientifiques ont émis l'hypothèse que les champs magnétiques avec les bonnes propriétés pourraient expliquer ce comportement, mais Li voulait une preuve.

"Comment concevez-vous une expérience sur Terre pour expliquer les mystères qui se produisent 6, 500 années-lumière, et s'étendant sur 13 années-lumière d'espace ?", demande-t-il. "L'astrophysique traditionnelle est basée sur l'observation. Généralement, après avoir fait une observation, vous construisez un modèle théorique, vous faites des simulations numériques. Mais c'est tout. Comment pouvez-vous y aller et mesurer quoi que ce soit ? Comment pouvez-vous faire une expérience pour tester ce modèle ?"

Li fait partie du Plasma Science and Fusion Center (PSFC) du MIT depuis qu'il est devenu un étudiant diplômé en 1987. En tant que co-fondateur et directeur associé de la division de physique à haute densité d'énergie (HEDP) du PSFC, Li a collaboré régulièrement avec le National Ignition Facility et le Laboratoire d'énergie laser de l'Université de Rochester sur la fusion par confinement inertiel et les expériences d'astrophysique en laboratoire. Il a décidé de voir s'il pouvait également utiliser le laser OMEGA du laboratoire pour imiter les conditions de la nébuleuse du Crabe, et prouver l'hypothèse selon laquelle les champs magnétiques étaient responsables du « pli du crabe ».

Au lieu d'entraîner les multiples faisceaux laser d'OMEGA sur une seule pastille d'hydrogène, comme il le ferait pour une expérience de fusion, Li a fait rebondir les lasers sur deux feuilles de 3 x 3 mm articulées ensemble à un angle de 60 degrés. En utilisant deux faisceaux laser pour chauffer chaque côté, il a généré des bulles de plasma, ou des panaches. Li savait que parce qu'ils sont très denses et chauds, ces panaches se dilateraient immédiatement, entrant en collision dans le plan médian entre les deux feuilles pour former un jet.

Li note que même si les jets générés en laboratoire et les jets astrophysiques ont des échelles de taille très différentes, la physique fondamentale peut être la même car les paramètres critiques sans dimension sont similaires. Par conséquent, ils partagent suffisamment de propriétés physiques pour permettre à Li de mettre à l'échelle ses expériences de laboratoire, comme on le ferait d'une soufflerie à un avion, aux conditions de la nébuleuse du crabe.

Alors que le pli dans le jet de nébuleuse se produit sur une période de quelques années, l'expérience de laboratoire crée un jet en une nanoseconde (milliardième de seconde), qui se propage ensuite pendant cinq à six nanosecondes. Li rit en considérant la vitesse des expériences :"Vous devez générer cela, diagnostiquer ça, caractériser cela, quantifier cela dans cette période de temps !"

Pour mesurer les champs magnétiques générés par l'expérience, Li a utilisé un diagnostic de radiographie protonique monoénergétique (MPR) inventé par sa division en 2005, lui permettant, par la déviation des protons, faire une radiographie des champs. Avec les mesures quantitatives en main, il a pu prouver que le comportement du jet de la nébuleuse est régi par de faibles champs magnétiques le long du jet, qui gardent sa structure en grande partie droite, et d'autres champs magnétiques circulant autour du jet, qui créent l'instabilité responsable du changement de direction. Les résultats ont été publiés récemment dans Communication Nature .

Le chef de la division HEDP, Richard Petrasso, a souligné l'importance du travail de Li :« Grâce à sa compréhension des instabilités et à son développement du diagnostic MPR pour cartographier les champs magnétiques transitoires en laboratoire, Chikang a pu explorer et expliquer, pour la première fois, des phénomènes aussi déroutants que le jet dans la nébuleuse du Crabe."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.