La reconnexion magnétique est un phénomène compliqué que Nuno Loureiro, professeur agrégé de sciences et d'ingénierie nucléaires et de physique au MIT, étudie en détail depuis plus d'une décennie. Pour expliquer le processus, il donne un exemple bien étudié :« Si vous regardez une vidéo d'une éruption solaire » alors qu'elle s'arque vers l'extérieur puis s'effondre sur la surface du soleil, « c'est la reconnexion magnétique en action. C’est quelque chose qui se produit à la surface du soleil qui conduit à des libérations explosives d’énergie. » La compréhension de Loureiro de ce processus de reconnexion magnétique a fourni la base de la nouvelle analyse qui peut maintenant expliquer certains aspects de la turbulence dans les plasmas. Crédit :NASA
Plasma, collections gazeuses d'ions et d'électrons, représentent environ 99 pour cent de la matière visible dans l'univers, y compris le soleil, les étoiles, et le milieu gazeux qui imprègne l'espace entre les deux. La plupart de ces plasmas, y compris le vent solaire qui sort constamment du soleil et balaie le système solaire, existent dans un état turbulent. Le fonctionnement de cette turbulence reste un mystère; c'est l'un des domaines de recherche les plus dynamiques de la physique des plasmas.
Maintenant, deux chercheurs ont proposé un nouveau modèle pour expliquer ces processus turbulents dynamiques.
Les résultats, par Nuno Loureiro, professeur agrégé de sciences et d'ingénierie nucléaires et de physique au MIT, et Stanislav Boldyrev, professeur de physique à l'Université du Wisconsin à Madison, sont rapportés aujourd'hui dans le Journal d'astrophysique . L'article est le troisième d'une série cette année qui explique les aspects clés du comportement de ces ensembles turbulents de particules chargées.
"Les plasmas naturels dans l'espace et les environnements astrophysiques sont traversés par des champs magnétiques et existent dans un état turbulent, " dit Loureiro. " C'est, leur structure est très désordonnée à toutes les échelles :si vous zoomez pour regarder de plus en plus près les volutes et tourbillons qui composent ces matériaux, vous verrez des signes similaires de structure désordonnée à tous les niveaux de taille. » Et tandis que la turbulence est un phénomène courant et largement étudié qui se produit dans toutes sortes de fluides, la turbulence qui se produit dans les plasmas est plus difficile à prévoir en raison des facteurs ajoutés des courants électriques et des champs magnétiques.
« La turbulence du plasma magnétisé est d'une complexité fascinante et d'un défi remarquable, " il dit.
Simulation menée par l'étudiant du MIT Daniel Groselj. Crédit : Institut de technologie du Massachusetts
La reconnexion magnétique est un phénomène compliqué que Loureiro étudie en détail depuis plus d'une décennie. Pour expliquer le processus, il donne un exemple bien étudié :« Si vous regardez une vidéo d'une éruption solaire » alors qu'elle s'arque vers l'extérieur puis s'effondre sur la surface du soleil, "c'est la reconnexion magnétique en action. C'est quelque chose qui se produit à la surface du soleil qui conduit à des libérations explosives d'énergie." La compréhension de Loureiro de ce processus de reconnexion magnétique a fourni la base de la nouvelle analyse qui peut maintenant expliquer certains aspects de la turbulence dans les plasmas.
Loureiro et Boldyrev ont découvert que la reconnexion magnétique doit jouer un rôle crucial dans la dynamique de la turbulence du plasma, une idée qui, selon eux, change fondamentalement la compréhension de la dynamique et des propriétés de l'espace et des plasmas astrophysiques et "est en effet un changement conceptuel dans la façon dont on pense à la turbulence, " dit Loureiro.
Les hypothèses existantes sur la dynamique de la turbulence plasma "peuvent prédire correctement certains aspects de ce qui est observé, " il dit, mais ils "conduisent à des incohérences".
Loureiro a travaillé avec Boldyrev, un théoricien de premier plan sur la turbulence plasma, et les deux ont réalisé "nous pouvons résoudre ce problème en fusionnant essentiellement les descriptions théoriques existantes de la turbulence et de la reconnexion magnétique, " explique Loureiro. Du coup, « l'image de la turbulence est conceptuellement modifiée et conduit à des résultats qui correspondent plus étroitement à ce qui a été observé par les satellites qui surveillent le vent solaire, et de nombreuses simulations numériques."
Loureiro s'empresse d'ajouter que ces résultats ne prouvent pas que le modèle est correct, mais montrer qu'elle est cohérente avec les données existantes. "Des recherches supplémentaires sont absolument nécessaires, " dit Loureiro. " La théorie précise, prédictions vérifiables, mais ceux-ci sont difficiles à vérifier avec les simulations et les observations actuelles."
Il ajoute, "La théorie est assez universelle, ce qui augmente les possibilités de tests directs." Par exemple, il y a un peu d'espoir qu'une nouvelle mission de la NASA, la sonde solaire Parker, dont le lancement est prévu l'année prochaine et qui observera la couronne solaire (l'anneau chaud de plasma autour du soleil qui n'est visible que depuis la Terre lors d'une éclipse totale), pourrait fournir les preuves nécessaires. Cette sonde, Loureiro dit, se rapprochera du soleil que tout autre vaisseau spatial précédent, et il devrait fournir les données les plus précises sur les turbulences dans la couronne à ce jour.
La collecte de ces informations en vaut la peine, Loureiro dit :« La turbulence joue un rôle critique dans une variété de phénomènes astrophysiques, " y compris les flux de matière au cœur des planètes et des étoiles qui génèrent des champs magnétiques par effet dynamo, le transport de matière dans des disques d'accrétion autour d'objets centraux massifs tels que des trous noirs, l'échauffement des couronnes stellaires et des vents (les gaz constamment soufflés de la surface des étoiles), et la génération de structures dans le milieu interstellaire qui remplit les vastes espaces entre les étoiles. « Une solide compréhension du fonctionnement de la turbulence dans un plasma est essentielle pour résoudre ces problèmes de longue date, " il dit.
"Cette étude importante représente un pas en avant significatif vers une compréhension physique plus approfondie de la turbulence du plasma magnétisé, " dit Dmitri Ouzdenski, professeur agrégé de physique à l'Université du Colorado, qui n'a pas participé à ce travail. "En élucidant les connexions profondes et les interactions entre deux processus plasmatiques omniprésents et fondamentaux - la turbulence magnétohydrodynamique et la reconnexion magnétique - cette analyse modifie notre image théorique de la façon dont l'énergie des mouvements turbulents du plasma passe de grande à petite échelle."
Il ajoute, "Ce travail s'appuie sur une étude pionnière précédente publiée par ces auteurs plus tôt cette année et l'étend à un domaine plus large de plasmas sans collision. Cela rend la théorie résultante directement applicable à des environnements de plasma plus réalistes trouvés dans la nature. En même temps, cet article conduit à de nouvelles questions alléchantes sur la turbulence et la reconnexion du plasma et ouvre ainsi de nouvelles directions de recherche, stimulant ainsi les futurs efforts de recherche en physique spatiale et en astrophysique des plasmas. »
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.
