Lors du lancement de la mission Magnetospheric Multiscale (ou MMS) de la NASA, les scientifiques savaient que cela répondrait à des questions fondamentales sur la nature de notre univers et le MMS n'a pas déçu. Une nouvelle découverte, présenté dans un article en Communication Nature , fournit la preuve d'observation d'une théorie vieille de 50 ans et remodèle la compréhension de base d'un type d'onde dans l'espace connu sous le nom d'onde cinétique d'Alfvén. Les résultats, qui se révèlent inattendus, complexités à petite échelle dans la vague, sont également applicables aux techniques de fusion nucléaire, qui reposent sur la minimisation de l'existence de telles ondes à l'intérieur de l'équipement pour piéger efficacement la chaleur.
Les ondes cinétiques d'Alfvén ont longtemps été soupçonnées d'être des transporteurs d'énergie dans les plasmas, un état fondamental de la matière composé de particules chargées, dans tout l'univers. Mais ce n'est que maintenant, avec l'aide de MMS, que les scientifiques ont pu examiner de plus près la microphysique des ondes à des échelles relativement petites où le transfert d'énergie se produit réellement.
"C'est la première fois que nous avons pu voir ce transfert d'énergie directement, " a déclaré Dan Gershman, auteur principal et scientifique MMS au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, et l'Université du Maryland à College Park. "Nous voyons une image plus détaillée des vagues d'Alfvén que quiconque n'a pu l'obtenir auparavant."
Les ondes ont pu être étudiées à petite échelle pour la première fois en raison de la conception unique du vaisseau spatial MMS. Les quatre engins spatiaux de MMS volent dans une formation pyramidale compacte en 3D, avec seulement quatre milles entre eux, plus proches que jamais auparavant et suffisamment petits pour tenir entre deux pics de vagues. Avoir plusieurs vaisseaux spatiaux a permis aux scientifiques de mesurer des détails précis sur la vague, comme la vitesse à laquelle il s'est déplacé et dans quelle direction il s'est déplacé.
Les précédentes missions multi-engins spatiaux ont volé à des séparations beaucoup plus grandes, ce qui ne leur permettait pas de voir les petites écailles, un peu comme essayer de mesurer l'épaisseur d'un morceau de papier avec un étalon. La formation volante serrée de MMS, cependant, a permis au vaisseau spatial d'étudier les longueurs d'onde plus courtes des ondes cinétiques d'Alfvén, au lieu de passer sous silence les effets à petite échelle.
"Ce n'est qu'à ces petites échelles que les ondes sont capables de transférer de l'énergie, c'est pourquoi il est si important de les étudier, " a déclaré Gershman.
Lorsque les ondes cinétiques d'Alfvén se déplacent à travers un plasma, les électrons voyageant à la bonne vitesse sont piégés dans les points faibles du champ magnétique de l'onde. Parce que le champ est plus fort de part et d'autre de ces points, les électrons rebondissent comme s'ils étaient bordés de deux murs, dans ce qu'on appelle un miroir magnétique dans l'onde. Par conséquent, les électrons ne sont pas répartis uniformément :certaines zones ont une densité d'électrons plus élevée, et d'autres poches se retrouvent avec moins d'électrons. D'autres électrons, qui voyagent trop vite ou trop lentement pour surfer sur la vague, finissent par passer de l'énergie dans les deux sens avec la vague alors qu'ils se battent pour suivre.
La capacité de la vague à piéger les particules a été prédite il y a plus de 50 ans, mais n'avait pas été directement capturée avec des mesures aussi complètes jusqu'à présent. Les nouveaux résultats ont également montré un taux de piégeage beaucoup plus élevé que prévu.
Cette méthode de piégeage des particules a également des applications dans la technologie de fusion nucléaire. Les réacteurs nucléaires utilisent des champs magnétiques pour confiner le plasma afin d'en extraire de l'énergie. Les méthodes actuelles sont très inefficaces car elles nécessitent de grandes quantités d'énergie pour alimenter le champ magnétique et maintenir le plasma chaud. Les nouveaux résultats peuvent offrir une meilleure compréhension d'un processus qui transporte l'énergie à travers un plasma.
« Nous pouvons produire, avec quelques efforts, ces ondes en laboratoire pour étudier, mais l'onde est bien plus petite qu'elle ne l'est dans l'espace, " a déclaré Stewart Prager, scientifique du plasma au Princeton Plasma Physics Laboratory à Princeton, New Jersey. "Dans l'espace, ils peuvent mesurer des propriétés plus fines qui sont difficiles à mesurer en laboratoire."
Ce travail peut aussi nous en apprendre plus sur notre soleil. Certains scientifiques pensent que les ondes cinétiques d'Alfvén sont la clé de la façon dont le vent solaire - le déversement constant de particules solaires qui balaye l'espace - est chauffé à des températures extrêmes. Les nouveaux résultats donnent un aperçu de la façon dont ce processus pourrait fonctionner.
Dans tout l'univers, les ondes cinétiques d'Alfvén sont omniprésentes dans les environnements magnétiques, et devraient même être dans les jets extra-galactiques des quasars. En étudiant notre environnement proche de la Terre, Les missions de la NASA comme le MMS peuvent utiliser un laboratoire voisin pour comprendre la physique des champs magnétiques à travers l'univers.
