Des physiciens du laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) ont pour la première fois observé directement un phénomène dont l'existence n'avait jusqu'alors fait qu'émettre l'hypothèse. Le phénomène, les instabilités plasmoïdes qui surviennent lors de la reconnexion magnétique collisionnelle, n'avait jusqu'à cette année été observée qu'indirectement à l'aide de la technologie de télédétection. Dans un article publié dans le numéro d'août 2016 de Lettres d'examen physique , Les physiciens de PPPL rapportent qu'ils ont créé le phénomène dans un laboratoire où ils ont pu le mesurer directement et confirmer son existence à l'échelle électronique, qui décrit la gamme de mouvement des électrons et à quelle vitesse ils se déplacent. Cette recherche a été financée à la fois par le Bureau des sciences du DOE et la Division d'héliophysique de la NASA.

Les instabilités plasmoïdes créent des bulles magnétiques dans le plasma, gaz surchauffé dont les atomes se sont séparés en électrons et noyaux atomiques. Les bulles magnétiques provoquent alors une reconnexion magnétique rapide, lorsque les lignes de champ magnétique d'un plasma se séparent et se rejoignent à nouveau, libérant de grandes quantités d'énergie. Avant maintenant, les physiciens de la NASA et d'autres institutions n'avaient pu confirmer directement l'existence de ces instabilités que dans des plasmas sans collision, comme ceux qui entourent la Terre dans la haute atmosphère, dans lequel les particules de plasma n'entrent pas souvent en collision.

Les scientifiques n'avaient pas été en mesure de confirmer l'existence d'instabilités plasmoïdes dans les plasmas collisionnels, dans lequel les particules entrent fréquemment en collision, parce que de tels plasmas se produisent dans l'espace extra-atmosphérique, loin de la Terre. Les plasmas de collision comme ceux à la surface des étoiles sont si éloignés que les scientifiques ont du mal à les mesurer directement. Mais les physiciens du Massachusetts Institute of Technology et d'ailleurs avaient prédit leur existence il y a des années.

Les scientifiques ont obtenu, cependant, preuve indirecte d'instabilités plasmoïdes dans l'espace. À l'aide de télescopes et de spectroscopes, ainsi que des installations de fusion comme l'ancien dispositif phare de PPPL connu sous le nom de National Spherical Torus Experiment (NSTX), qui a depuis été amélioré, les scientifiques ont pris des photographies et analysé la lumière qui a laissé entendre l'existence des instabilités. Mais sans mesures directes, ils n'ont pas pu confirmer l'existence des instabilités.

« Ces résultats sont importants car les données recueillies lors d'expériences passées de reconnexion magnétique impliquant un plasma sans collision ne s'appliquent pas aux grands, plasmas collisionnels trouvés dans tout l'espace, " dit Hantao Ji, professeur au Département des sciences astrophysiques de l'Université de Princeton, membre distingué de PPPL, et co-auteur de l'article. « Les scientifiques ont longtemps eu du mal à étudier ces plasmas car il est difficile de créer les conditions nécessaires sur Terre, et nous ne pouvons pas simplement coller des sondes directement dans les étoiles. Maintenant, nous avons un aperçu de leur fonctionnement."

Au cours de la recherche, L'auteur principal et étudiant diplômé Jonathan Jara-Almonte et l'équipe ont utilisé un dispositif PPPL connu sous le nom d'expérience de reconnexion magnétique (MRX). Contrairement aux expériences précédentes, Jara-Almonte et son équipe ont utilisé un plasma composé d'atomes d'argon, plutôt que de l'hydrogène, deutérium ou d'hélium. En utilisant l'argon, ils ont trouvé, leur a permis de produire plus facilement des conditions de reconnexion collisionnelle au sein du plasma.

En plus de confirmer l'existence d'instabilités plasmoïdes dans les plasmas collisionnels en cours de reconnexion, la recherche a montré que des instabilités peuvent survenir même lorsqu'un plasma ne conduit pas bien l'électricité, une condition connue comme ayant un faible nombre de Lundquist qui, selon les scientifiques, entraverait le développement des plasmoïdes. C'était une découverte surprenante, puisque les scientifiques ont longtemps prédit que les plasmoïdes ne se formeraient que lorsqu'un plasma conduit bien l'électricité.

"Le tableau d'ensemble est que ces résultats soulèvent des questions sur la théorie de l'instabilité plasmoïde qui n'ont pas encore reçu de réponse, " a déclaré Jara-Almonte. "Les résultats soulèvent des questions sur ce qui se passe réellement dans d'autres systèmes."

L'expérience MRX a également confirmé que les plasmoïdes accélèrent la vitesse à laquelle la reconnexion se produit - la première fois que l'effet a été observé dans un environnement de collision. Il est important de comprendre à quelle vitesse la reconnexion se produit, car elle peut affecter la Terre de manière dramatique. Lorsque la reconnexion se produit à la surface du soleil, d'énormes gouttes de plasma jaillissent dans l'espace et peuvent entrer en collision avec le champ magnétique terrestre, créant des tempêtes géomagnétiques qui menacent les satellites de communication et les réseaux électriques.