Comme sur Terre, donc dans l'espace. Une mission à quatre satellites qui étudie la reconnexion magnétique - la rupture et la reconnexion explosive des lignes de champ magnétique dans le plasma qui se produisent dans tout l'univers - a découvert que les aspects clés du processus dans l'espace étaient étonnamment similaires à ceux trouvés dans les expériences au Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE). Les similitudes montrent comment les études se complètent :le laboratoire capture d'importantes caractéristiques mondiales de la reconnexion et le vaisseau spatial documente les propriétés clés locales au fur et à mesure qu'elles se produisent.

Les observations faites par la mission Satellite Multiscale Magnétosphérique (MMS), que la NASA a lancé en 2015 pour étudier la reconnexion dans le champ magnétique qui entoure la Terre, correspondent assez bien avec les résultats de laboratoire passés et présents de l'expérience de reconnexion magnétique (MRX) au PPPL. Des recherches antérieures sur MRX ont découvert le processus par lequel se produit une reconnexion rapide et identifié la quantité d'énergie magnétique qui est convertie en énergie de particules au cours du processus, qui donne naissance aux aurores boréales, les éruptions solaires et les tempêtes géomagnétiques qui peuvent perturber le service de téléphonie mobile, éteindre les réseaux électriques et endommager les satellites en orbite.

Directives pour les mesures MMS

Les résultats MRX précédents ont servi de lignes directrices pour les mesures prises par la mission MMS, qui cherche à comprendre la région dans laquelle la reconnexion des lignes de champ dans le plasma - l'état de la matière composée d'électrons libres et de noyaux atomiques, ou des ions - a lieu. Les dernières expériences PPPL étendent les résultats à de nouveaux domaines d'accord. "Malgré d'énormes différences dans la taille des couches de reconnexion dans le MRX et dans l'espace, des caractéristiques remarquablement similaires sont observées dans les deux, " dit Masaaki Yamada, chercheur principal sur le MRX, et auteur principal du récent article présentant les résultats dans l'édition du 6 décembre de Communication Nature .

Les recherches passées en laboratoire ont examiné la reconnexion "symétrique", dans laquelle la densité des plasmas de chaque côté des régions de reconnexion est sensiblement la même. Le nouvel article examine la reconnexion dans la magnétopause - la région externe de la magnétosphère - et dans le MRX qui est "asymétrique, " ce qui signifie que le plasma d'un côté de la région est au moins 10 fois plus dense que de l'autre. La mission MMS a concentré ses premières recherches sur l'aspect asymétrique de la reconnexion, puisque le plasma du vent solaire – les particules chargées provenant du soleil – est beaucoup plus dense que le plasma de la magnétosphère.

Dans le nouveau journal, les chercheurs examinent ce qu'on appelle la physique de la reconnexion « à deux fluides » qui décrit différemment chaque comportement des ions et des électrons au cours du processus. Une telle physique domine la reconnexion magnétique dans les systèmes à plasma MRX et magnétosphérique, permettant un niveau sans précédent d'examens croisés entre les mesures en laboratoire et les observations spatiales.

Principales conclusions

Voici les principales conclusions du bifluide, recherche asymétrique sur MRX qui s'avère en accord frappant avec les mesures du comportement des électrons et des ions par les satellites spatiaux et la conversion de l'énergie magnétique en énergie des particules. Des simulations informatiques ont aidé à ces résultats :

• Électrons. Les expériences ont démontré que le courant d'électrons circule perpendiculairement, et non parallèle comme on le pensait autrefois, au champ magnétique. Ce flux est essentiel à la conversion de l'énergie magnétique en électrons qui se produit dans une couche limite étroite appelée « région de diffusion des électrons » où une reconnexion rapide a lieu. La découverte est cohérente avec les récentes mesures spatiales MMS et nouvelle en laboratoire pour la reconnexion asymétrique.
• Ions. Le courant ionique circule également perpendiculairement au champ magnétique comme dans le cas des électrons, et est également la clé de la conversion de l'énergie magnétique des ions en énergie des particules. Pour les ions, cette conversion se produit dans la "région de diffusion ionique" plus large entre les plasmas convergents et est une découverte tout aussi récente concernant la reconnexion asymétrique dans les plasmas de laboratoire.

Les expériences MRX ont en outre étudié différents aspects de la conversion dans les cas symétriques et asymétriques. En reconnexion symétrique, 50% de l'énergie magnétique était auparavant convertie en ions et en électrons, avec un tiers de la conversion affectant les électrons et les deux tiers accélérant les ions. Le taux de conversion total reste à peu près le même dans le cas asymétrique, de même que le rapport de conversion d'énergie pour les ions et les électrons.