Contrairement à ce que beaucoup de gens croient, l'espace n'est pas vide. En plus d'une soupe électriquement chargée d'ions et d'électrons connue sous le nom de plasma, l'espace est traversé par des champs magnétiques avec une large gamme de forces. Les astrophysiciens se sont longtemps demandé comment ces champs sont produits, soutenu, et agrandie. Maintenant, des scientifiques du laboratoire de physique du plasma de Princeton (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) ont montré que la turbulence du plasma pourrait être responsable, fournir une réponse possible à ce qui a été appelé l'un des problèmes non résolus les plus importants en astrophysique des plasmas.

Les chercheurs ont utilisé des ordinateurs puissants du Princeton Institute for Computational Science and Engineering (PICSciE) et du National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) du Lawrence Berkeley National Laboratory du DOE pour simuler comment la turbulence pourrait intensifier les champs magnétiques à travers ce que l'on appelle le effet dynamo, dans lequel les champs magnétiques deviennent plus forts à mesure que les lignes de champ magnétique se tordent et tournent. "Ce travail constitue une étape importante vers la réponse pour la première fois à la question de savoir si la turbulence peut amplifier les champs magnétiques à des forces dynamiques dans un climat chaud, plasma dilué, comme celle résidant dans les amas de galaxies, " a déclaré Matthieu Kunz, professeur d'astrophysique à l'Université de Princeton et auteur de l'article, qui a été publié dans Les lettres du journal astrophysique .

Les recherches antérieures se sont concentrées sur les dynamos telles qu'elles pourraient se produire dans les plasmas dits collisionnels, dans lequel les particules se comportent collectivement comme un fluide. Mais les plasmas intergalactiques sont sans collision, les expériences passées ne sont donc pas nécessairement pertinentes. Cette nouvelle recherche vise à combler cette lacune. "Nous voulions voir comment la dynamo se comporterait dans le régime sans collision, " a déclaré Denis St-Onge, étudiant diplômé du programme Princeton en physique des plasmas à PPPL et auteur principal de l'article.

St-Onge et Kunz se sont concentrés sur les manières dont les vitesses et les champs magnétiques des particules individuelles dans le plasma sans collision sont directement liés. Ce lien - si une quantité augmente ou diminue, l'autre doit, aussi - semblerait exclure l'existence d'une dynamo. "Si c'était toute l'histoire, ce serait désastreux pour la dynamo, " dit St-Onge. " Pour correspondre à ce que nous observons dans l'espace, la dynamo devrait augmenter la force du champ magnétique de la graine d'au moins un facteur d'un billion, mais l'énergie des particules devrait également augmenter, et il n'y a tout simplement pas assez d'énergie disponible dans la dynamo pour que cela se produise."

Pour produire la force des champs magnétiques observés dans l'espace, le lien qui lie l'énergie des particules au magnétisme doit être rompu. C'est exactement ce que St-Onge et Kunz ont observé dans les simulations informatiques :que des types de turbulence de plasma connus sous le nom d'instabilités de miroir et de lance à incendie ont provoqué la dispersion des particules de plasma, et la diffusion a rompu le lien entre l'énergie des particules et le magnétisme et a permis aux amplitudes des champs magnétiques de se rapprocher de ce qui est observé dans la nature.

La recherche future, note St-Onge, se concentrera sur les raisons pour lesquelles cette diffusion turbulente se produit. "En outre, nous aimerions étudier les spécificités de la diffusion des particules, " a déclaré St-Onge. " Comment exactement les instabilités provoquent-elles la dispersion des particules, à quelle fréquence la diffusion se produit-elle, et la dispersion peut-elle conduire à une soudaine, croissance spectaculaire d'un champ magnétique? La dernière idée est une notion proposée par le directeur du PPPL Steven Cowley il y a des années. Nous aimerions vérifier si cela est vrai."