Des scientifiques du laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) ont découvert des conditions clés qui donnent lieu à une reconnexion magnétique rapide, le processus qui déclenche les éruptions solaires, aurores, et les orages géomagnétiques qui peuvent perturber les transmissions de signaux et d'autres activités électriques, y compris le service de téléphonie mobile. Le processus se produit lorsque les lignes de champ magnétique dans le plasma, le chaud, état chargé de la matière composé d'électrons libres et de noyaux atomiques, se séparer et se reconnecter violemment, libérant de grandes quantités d'énergie. Cela se produit dans de fines feuilles de plasma, appelées feuilles courantes, dans lequel le courant électrique est fortement concentré.

En intégrant des simulations informatiques, les résultats s'ajoutent à une théorie antérieure de reconnexion rapide développée mathématiquement par des physiciens de PPPL et de l'Université de Princeton. Les nouveaux résultats intègrent un modèle prédictif qui donne une description plus complète de la physique impliquée.

L'impact de la reconnexion peut être ressenti dans tout l'univers. Le processus peut provoquer d'énormes sursauts de rayonnement gamma que l'on pense être associés à des explosions de supernova et à la formation d'étoiles à neutrons ultra-denses et de trous noirs. "Un sursaut gamma dans notre galaxie de la Voie Lactée, si pointant vers la Terre, pourrait potentiellement provoquer une extinction de masse, " a déclaré le physicien PPPL Yi-Min Huang, auteur principal d'un article présentant les conclusions de Journal d'astrophysique . "Clairement, il est important de savoir quand, comment, et pourquoi la reconnexion magnétique a lieu."

Les scientifiques ont observé que la reconnexion se produit soudainement, après une longue période de repos des champs magnétiques à l'intérieur des nappes de courant. Qu'est-ce qui provoque exactement la séparation et la reconnexion des champs magnétiques, et pourquoi la reconnexion s'effectue-t-elle plus rapidement que la théorie ne le dit ?

À l'aide de simulations informatiques et d'analyses théoriques, les physiciens ont démontré qu'un phénomène appelé « instabilité plasmoïde » crée des bulles au sein du plasma qui peuvent conduire à une reconnexion lorsque certaines conditions sont remplies :

• Le plasma doit avoir un nombre de Lundquist élevé, qui caractérise à quel point il conduit l'électricité.
• Les fluctuations aléatoires du champ magnétique du plasma fournissent des « germes » à partir desquels l'instabilité du plasma se développe.

Pris ensemble, ces conditions permettent aux instabilités plasmoïdes de donner lieu à une reconnexion dans les nappes de courant. "Notre étude suggère que la perturbation de la feuille de courant causée par l'instabilité plasmoïde peut fournir un déclencheur, " a déclaré Huang.

Le déclencheur brise les feuilles bidimensionnelles de courant électrique dans le plasma en bulles, ou plasmoïdes, et de nombreuses feuilles plus petites. Le nombre croissant de feuilles crée plus d'opportunités pour les lignes magnétiques de se séparer et de se joindre. La reconnexion se produit également à plusieurs endroits, entraînant une augmentation du taux global pour l'ensemble d'un système.

La plus petite taille des feuilles actuelles accélère également la reconnexion. Les forces électromagnétiques ont tendance à propulser le plasma entre les feuilles, produisant un mouvement qui s'accélère lorsque les feuilles se brisent en plus petites. Le plasma accélérateur rapproche les lignes magnétiques plus rapidement et conduit à des taux de reconnexion plus rapides.

Huang et ses collègues physiciens aimeraient tester leur nouveau modèle à l'aide de machines expérimentales dotées de capacités supplémentaires. Bien qu'aucune machine de ce type n'existe à l'heure actuelle, les chercheurs attendent avec impatience une nouvelle unité qui sera mise en ligne.