En juillet 2012, une puissante tempête solaire a failli frapper la Terre. Les scientifiques estiment qu'a eu la tempête, appelée éjection de masse coronale (CME), frapper la planète, l'impact aurait paralysé les réseaux électriques dans le monde entier, griller des transformateurs et des instruments.

Une sonde de la NASA qui se trouvait sur le chemin du CME a détecté certaines des particules chargées qu'il contenait. Les données recueillies par le satellite ont montré que la tempête était deux fois plus puissante qu'un événement de 1989 qui a détruit tout le réseau électrique du Québec, a perturbé la livraison d'électricité à travers les États-Unis et a rendu les aurores boréales visibles aussi loin au sud que Cuba. En réalité, la récente tempête pourrait avoir été plus forte que le premier et le plus puissant CME connu pour frapper la planète, l'événement Carrington. Cette tempête de 1859 a projeté des étincelles sur les lignes télégraphiques, mettre le feu aux stations télégraphiques. Les chercheurs ont estimé à 12% les chances qu'un CME de la taille de Carrington se produise d'ici 2024 - et atteigne éventuellement la Terre - à 12%.

De tels événements se produisent lorsque les lignes de champ du système magnétique massif du soleil se cassent et se reconnectent. "Les champs magnétiques sont un réservoir d'une énorme quantité d'énergie, et des événements éruptifs majeurs se produisent dans lesquels cette énergie est libérée, " dit Amitava Bhattacharjee, un physicien des plasmas au Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), une installation du ministère de l'Énergie à Princeton, New Jersey. « Les particules chargées ont tendance à se lier aux lignes de champ magnétique comme des perles sur un fil – lorsque le fil se brise, les billes sont projetées à des vitesses énormes."

Le phénomène, connu sous le nom de reconnexion magnétique rapide, Reste un mystère. Personne ne sait comment les lignes de champ se brisent et se rejoignent assez rapidement pour expulser les milliards de tonnes de matière déchaînées dans un CME, ou même dans les plus petites éruptions d'éruptions solaires communes. Dans des expériences et des simulations en laboratoire, Bhattacharjee et ses collègues ont révélé de nouveaux mécanismes qui aident à expliquer la reconnexion magnétique rapide.

Bhattacharjee poursuit de tels mécanismes depuis ses études supérieures, quand il s'est rendu compte que la physique des plasmas est "une belle, domaine classique avec de merveilleuses équations qui étaient de bonnes choses à analyser et faire des simulations informatiques avec, " dit-il. En même temps, il a vu que les plasmas - qui constituent 99,5% de l'univers visible - sont également la clé d'un "problème très pratique et important pour l'humanité, à savoir l'énergie de fusion magnétique."

Depuis des décennies, machines de fusion nucléaire, comme les tokamaks en forme de beignet, ont promis un approvisionnement pratiquement illimité en énergie relativement propre. Mais un appareil de fusion fonctionnel est toujours hors de portée, en partie à cause de la reconnexion magnétique rapide. "Les réacteurs à fusion magnétique contiennent des champs magnétiques, et ces champs magnétiques peuvent également se reconnecter et provoquer des instabilités perturbatrices au sein d'un plasma de fusion tokamak, " dit Bhattacharjee, professeur de sciences astrophysiques à l'Université de Princeton et chef de la division Théorie et calcul de PPPL.

Dans le modèle actuel de reconnexion, des champs magnétiques opposés sont poussés ensemble par une force externe, tels que les courants de plasma. Un mince, forme de zone de contact plate entre les deux champs, créer une tension dans les lignes de champ. Dans cette région mince, appelé feuille courante, les particules de plasma – ions et électrons – entrent en collision, briser les lignes de champ et leur permettre de former de nouvelles, connexions à plus faible énergie avec des partenaires du champ magnétique opposé. Mais sous ce modèle, les lignes ne se reconnectent qu'aussi vite qu'elles sont poussées dans la feuille actuelle - pas assez vite pour expliquer l'énorme effusion d'énergie et de particules lors d'un événement de reconnexion rapide.

Étant donné que ce modèle de reconnexion lente dépend des collisions de particules de plasma, de nombreux groupes de recherche ont recherché des effets sans collision qui pourraient expliquer une reconnexion rapide. Des explications prometteuses portent sur le comportement des particules chargées dans la nappe actuelle, où l'intensité du champ est proche de zéro. Là, les propriétés chargées du massif, les ions lents sont supprimés, et les électrons agiles sont libres de transporter les lignes de champ de courant et de fouet dans de nouvelles configurations.

Pour des expériences en laboratoire sur des mécanismes cachés, L'équipe de Bhattacharjee utilise des lasers puissants à l'installation Omega de l'Université de Rochester. Développer des modèles informatiques, le groupe utilise Titan, un supercalculateur Cray XK7 au Oak Ridge Leadership Computing Facility, une installation utilisateur du DOE Office of Science, par le biais du programme INCITE (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment) de l'Office of Science. Le programme des sciences de l'énergie de fusion de l'Office of Science et la National Nuclear Security Administration du DOE parrainent les expériences.

Dans une première expérience dirigée par le physicien de recherche PPPL Will Fox, l'équipe a pointé deux lasers Omega intenses sur des matériaux qui produisent des bulles de plasma sous les faisceaux. Chaque bulle a généré spontanément son propre champ magnétique grâce à un effet connu sous le nom de batterie Biermann. Comme cela arrive dans le soleil et les appareils de fusion nucléaire, particules de plasma chargées alignées sur les lignes de champ magnétique. Les bulles s'enfonçaient les unes dans les autres, et une nappe de courant formée entre eux. Le taux de reconnexion entre les champs était rapide – trop rapide pour la théorie classique.

"C'est là que nous avons établi pour la première fois le mécanisme sous-jacent de la reconnexion qui se produit dans cette machine, " dit Bhattacharjee. L'équipe disposait désormais d'un modèle de reconnexion magnétique rapide, un applicable aux expériences pionnières antérieures menées par des groupes au Royaume-Uni et aux États-Unis. Une simulation sur Titan a montré que plus de lignes de champ étaient entassées dans la feuille actuelle que quiconque ne l'avait imaginé, un phénomène appelé empilement de flux. L'étude a montré que, en plus des effets sans collision suggérés précédemment, L'accumulation de flux joue un rôle dans la reconnexion rapide.

Dans des expériences ultérieures dirigées par Gennady Fiksel, maintenant à l'Université du Michigan, l'équipe ne voulait pas se fier uniquement aux champs magnétiques générés spontanément. "Nous avons estimé que nous avions besoin d'un meilleur contrôle sur les champs magnétiques que nous utilisions pour le processus de reconnexion, " dit Bhattacharjee. " Et donc nous avons utilisé un générateur externe appelé MIFEDS (système de décharge électrique à fusion magnéto-inertielle), qui produisait des champs magnétiques externes que nous pouvions contrôler."

Pour capturer les changements dans ce champ, l'équipe a rempli l'espace d'un mince plasma de fond, généré par un troisième laser, et l'a imagé à l'aide d'un faisceau de protons, que les champs magnétiques dévient. Lorsque deux bulles de plasma ont heurté le champ magnétique externe, l'équipe a créé l'image la plus claire à ce jour des événements qui se déroulent dans la région où les lignes de champ se reconnectent. La nouvelle configuration a également montré un empilement de flux, suivi d'un événement de reconnexion qui comprenait de petites bulles de plasma se formant dans la région entre les bulles et, finalement, annihilation brutale du champ magnétique.

"Le mécanisme que nous avons trouvé est que vous formez cette mince nappe de courant qui peut alors être instable, dans ce que nous appelons une instabilité plasmoïde qui brise cette mince nappe de courant en petites bulles magnétiques, " Bhattacharjee dit. " L'instabilité plasmoïde est un nouveau mécanisme pour l'apparition d'une reconnexion rapide, ce qui se passe sur une échelle de temps indépendante de la résistance du plasma."

Bhattacharjee et ses collègues s'efforcent de comprendre comment leur découverte s'intègre dans l'ensemble de l'activité solaire, tempêtes solaires et dispositifs de fusion nucléaire. Une fois qu'eux et l'ensemble de la communauté des physiciens des plasmas auront pleinement compris la reconnexion, la capacité à prédire les CME et à apprivoiser certaines des instabilités du plasma à l'intérieur des réacteurs tokamak, par exemple, peut être à portée de main.