Tous les jours, avec peu de préavis, la Terre est bombardée de particules énergétiques qui inondent ses habitants d'une invisible poussière de rayonnement, observé uniquement par le détecteur aléatoire, ou astronome, ou un physicien notant dûment leur décès. Ces particules constituent, peut-être, le résidu galactique d'une supernova lointaine, ou l'écho tangible d'un pulsar. Ce sont des rayons cosmiques.

Mais comment ces particules sont-elles produites ? Et où trouvent-ils l'énergie pour voyager sans être contrôlés par d'immenses distances et des obstacles interstellaires ?

Telles sont les questions que Frederico Fiuza a poursuivies au cours des trois dernières années, à travers des projets en cours à l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), une installation utilisateur du Bureau des sciences du Département de l'énergie des États-Unis (DOE).

Un physicien du SLAC National Accelerator Laboratory en Californie, Fiuza et son équipe mènent des recherches approfondies sur la physique des plasmas pour discerner les processus fondamentaux qui accélèrent les particules. Les réponses pourraient permettre de comprendre comment les rayons cosmiques acquièrent leur énergie et comment des mécanismes d'accélération similaires pourraient être sondés en laboratoire et utilisés pour des applications pratiques.

Alors que le "comment" de l'accélération des particules reste un mystère, le "où" est un peu mieux compris. "Le rayonnement émis par les électrons nous indique que ces particules sont accélérées par des processus plasma associés à des objets astrophysiques énergétiques, " dit Fiuza.

L'univers visible est rempli de plasma, matière ionisée formée lorsque le gaz est surchauffé, séparer les électrons des ions. Plus de 99% de l'univers observable est constitué de plasmas, et le rayonnement qu'elles émettent crée le beau, des couleurs étranges qui accentuent les nébuleuses et autres merveilles astronomiques.

La motivation de ces projets est venue de se demander s'il était possible de reproduire des conditions de plasma similaires en laboratoire et d'étudier comment les particules sont accélérées.

Lasers haute puissance, tels que ceux disponibles au Laboratoire d'énergie laser de l'Université de Rochester ou au National Ignition Facility du Lawrence Livermore National Laboratory, peut produire des puissances de crête supérieures à 1, 000 milliards de watts. A ces hautes puissances, les lasers peuvent ioniser instantanément la matière et créer des flux de plasma énergétiques pour les études souhaitées de l'accélération des particules.

Physique intime

Pour déterminer quels processus peuvent être sondés et comment mener des expériences efficacement, L'équipe de Fiuza recrée les conditions de ces plasmas laser à l'aide de simulations à grande échelle. Par calcul, il dit, il devient très difficile de résoudre simultanément la grande échelle de l'expérience et la physique à très petite échelle au niveau des particules individuelles, où ces flux produisent des champs qui à leur tour accélèrent les particules.

Parce que la gamme d'échelles est si dramatique, ils se sont tournés vers le pouvoir pétascale de Mira, le supercalculateur Blue Gene/Q de l'ALCF, pour exécuter les toutes premières simulations 3D de ces scénarios de laboratoire. Pour piloter la simulation, ils ont utilisé OSIRIS, un état de l'art, code particule dans la cellule pour la modélisation des plasmas, développé par UCLA et l'Instituto Superior Técnico, au Portugal, où Fiuza a obtenu son doctorat.

Une partie de la complexité impliquée dans la modélisation des plasmas provient du couplage intime entre les particules et le rayonnement électromagnétique - les particules émettent un rayonnement et le rayonnement affecte le mouvement des particules.

Dans la première phase de ce projet, L'équipe de Fiuza a montré qu'une instabilité plasmatique, l'instabilité de Weibel, est capable de convertir une grande partie de l'énergie des flux de plasma en champs magnétiques. Ils ont montré un fort accord dans une comparaison un à un des données expérimentales avec les données de simulation 3D, qui a été publié dans Physique de la nature , en 2015. Cela les a aidés à comprendre comment les champs puissants nécessaires à l'accélération des particules peuvent être générés dans les environnements astrophysiques.

Fiuza utilise le tennis comme analogie pour expliquer le rôle que jouent ces champs magnétiques dans l'accélération des particules dans les ondes de choc. Le filet représente l'onde de choc et les raquettes des deux joueurs s'apparentent à des champs magnétiques. Si les joueurs se dirigent vers le filet en faisant rebondir le ballon entre eux, le ballon, ou particules, accélérer rapidement.

"L'essentiel est, nous comprenons maintenant comment se forment des champs magnétiques suffisamment puissants pour faire rebondir ces particules pour être énergisées. C'est un processus en plusieurs étapes :vous devez commencer par générer des champs puissants - et nous avons trouvé une instabilité qui peut générer des champs puissants à partir de rien ou de très petites fluctuations - et ensuite ces champs doivent diffuser efficacement les particules, " dit Fiuza.

Reconnexion

Mais les particules peuvent être énergisées d'une autre manière si le système fournit les champs magnétiques puissants dès le départ.

« Dans certains scénarios, comme les pulsars, vous avez des amplitudes de champ magnétique extraordinaires, " note Fiuza. " Là, vous voulez comprendre comment l'énorme quantité d'énergie stockée dans ces champs peut être directement transférée aux particules. Dans ce cas, nous n'avons pas tendance à considérer les flux ou les chocs comme le processus dominant, mais plutôt une reconnexion magnétique."

Reconnexion magnétique, un processus fondamental dans les plasmas astrophysiques et de fusion, serait à l'origine des éruptions solaires, éjections de masse coronale, et d'autres événements cosmiques volatils. Lorsque des champs magnétiques de polarité opposée sont réunis, leurs topologies sont modifiées. Les lignes de champ magnétique se réorganisent de manière à convertir l'énergie magnétique en chaleur et en énergie cinétique, provoquant une réaction explosive qui entraîne l'accélération des particules. C'était l'objet du projet le plus récent de Fiuza à l'ALCF.

De nouveau, L'équipe de Fiuza a modélisé la possibilité d'étudier ce processus en laboratoire avec des plasmas pilotés par laser. Pour effectuer du 3-D, simulations de premiers principes (simulations dérivées d'hypothèses/prédictions théoriques fondamentales), Fiuza avait besoin de modéliser des dizaines de milliards de particules pour représenter le système plasma magnétisé entraîné par laser. Ils ont modélisé le mouvement de chaque particule puis sélectionné les mille les plus énergétiques. Le mouvement de ces particules a été suivi individuellement pour déterminer comment elles ont été accélérées par le processus de reconnexion magnétique.

"Ce qui est assez étonnant avec ces accélérateurs cosmiques, c'est qu'ils sont très, très petit nombre de particules transportent une grande partie de l'énergie dans le système, disons 20 pour cent. Donc vous avez cette énorme énergie dans ce système astrophysique, et d'un processus miraculeux, tout revient à quelques particules chanceuses, " dit-il. " Cela signifie que le mouvement individuel des particules et la trajectoire des particules sont très importants. "

Les résultats de l'équipe, qui ont été publiés dans Lettres d'examen physique , en 2016, montrent que la reconnexion par laser conduit à une forte accélération des particules. Lorsque deux panaches de plasma en expansion interagissent l'un avec l'autre, ils forment une mince nappe de courant, ou couche de reconnexion, qui devient instable, briser en feuilles plus petites. Au cours de ce processus, le champ magnétique est annihilé et un fort champ électrique est excité dans la zone de reconnexion, accélérer efficacement les électrons lorsqu'ils pénètrent dans la région.

Fiuza s'attend à ce que, comme son précédent projet, ces résultats de simulation peuvent être confirmés expérimentalement et ouvrir une fenêtre sur ces mystérieux accélérateurs cosmiques.