Les forces magnétiques se propagent dans tout l'univers, des champs entourant les planètes aux gaz remplissant les galaxies, et peut être déclenché par un phénomène appelé effet de batterie Biermann. Aujourd'hui, des scientifiques du laboratoire de physique du plasma de Princeton (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) ont découvert que ce phénomène peut non seulement générer des champs magnétiques, mais peut les couper pour déclencher une reconnexion magnétique, une découverte remarquable et surprenante.

L'effet batterie Biermann, une graine possible pour les champs magnétiques qui imprègnent notre univers, apparaît dans les plasmas - l'état de la matière composé d'électrons libres et de noyaux atomiques - lorsque la température et la densité du plasma sont désalignées. Les sommets de ces plasmas peuvent être plus chauds que les fonds, et la densité peut être plus grande à gauche qu'à droite. Ce désalignement donne lieu à une force électromotrice qui génère un courant qui conduit à des champs magnétiques. Le processus porte le nom de Ludwig Biermann, un astrophysicien allemand qui l'a découvert en 1950.

Révélée par des simulations informatiques

Les nouvelles découvertes révèlent, grâce à des simulations informatiques, un rôle jusque-là inconnu de l'effet Biermann qui pourrait améliorer la compréhension de la reconnexion - la rupture et la reconnexion violente des lignes de champ magnétique dans les plasmas qui donnent naissance aux aurores boréales, les éruptions solaires et les tempêtes spatiales géomagnétiques qui peuvent perturber le service de téléphonie mobile et les réseaux électriques sur Terre.

Les résultats « fournissent une nouvelle plateforme pour répliquer en laboratoire la reconnexion observée dans les plasmas astrophysiques, " a déclaré Jackson Matteucci, un étudiant diplômé du programme en physique des plasmas à PPPL et auteur principal d'une description du processus dans Physical Review Letters. Les coauteurs de l'article incluent ses directeurs de thèse, Will Fox de PPPL et Amitava Bhattacharjee, chef du département de théorie PPPL, et des chercheurs d'autres laboratoires.

Les simulations ont modélisé les résultats publiés d'expériences en Chine qui ont étudié la matière plasma à haute densité d'énergie (HED) sous une pression extrême telle qu'elle existe au cœur de la Terre. Les expérimentations, dans laquelle PPPL n'a joué aucun rôle, utilisé des lasers pour faire exploser une paire de bulles de plasma à partir d'une cible métallique solide. Des simulations du plasma tridimensionnel ont tracé l'expansion des bulles et les champs magnétiques créés par l'effet Biermann, et suivi la collision des champs pour produire une reconnexion magnétique.

Les simulations ont montré que la température augmentait dans les lignes de champ de reconnexion et inversait le rôle de l'effet Biermann à l'origine des lignes. À cause de la pointe, l'effet Biermann a détruit les lignes de champ magnétique qu'il avait créées, en les coupant comme une paire de ciseaux en coupant un élastique. Les champs tranchés puis reconnectés en aval, loin du point de reconnexion d'origine. "Il s'agit de la première simulation à montrer la reconnexion magnétique à médiation par batterie Biermann, " Matteucci a déclaré. "Ce processus n'avait jamais été connu auparavant."

Suivi de milliards d'ions et d'électrons

La modélisation des expériences HED a nécessité le suivi de milliards d'ions et d'électrons interagissant les uns avec les autres et avec les champs électriques et magnétiques créés par leur mouvement, dans ce qu'on appelle des simulations cinétiques 3D. Les chercheurs ont effectué ces simulations sur le supercalculateur Titan du DOE Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) au Oak Ridge National Laboratory.

Les scientifiques ont depuis modélisé une expérience britannique et travaillent sur des simulations d'expériences réalisées au Laboratoire d'énergie laser (LLE) de l'Université de Rochester et au National Ignition Facility du Lawrence Livermore National Laboratory.