Reconnexion magnétique rapide, la convergence rapide, séparation et rupture explosive des lignes de champ magnétique, donne naissance aux aurores boréales, les éruptions solaires et les tempêtes géomagnétiques qui peuvent perturber le service de téléphonie cellulaire et les réseaux électriques. Le phénomène a lieu dans le plasma, l'état de la matière composé d'électrons libres et de noyaux atomiques, ou des ions, qui représente 99% de l'univers visible. Mais si une reconnexion rapide peut se produire dans un plasma partiellement ionisé - un plasma qui comprend des atomes ainsi que des électrons et des ions libres - n'est pas bien compris.

Des chercheurs du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) ont maintenant produit le premier modèle entièrement cinétique du comportement des particules de plasma et ont découvert qu'une reconnexion rapide peut effectivement se produire dans des systèmes partiellement ionisés. Les modèles cinétiques simulent la distribution et la vitesse de milliards de particules, par rapport aux modèles fluides qui traitent le plasma comme un milieu continu plutôt que comme un ensemble de particules individuelles.

"Il existe toute une classe de plasmas partiellement ionisés dont le lien avec la reconnexion n'a pas été bien étudié, " a déclaré le physicien Jonathan Jara-Almonte, auteur principal d'un article en Lettres d'examen physique qui rapporte les récentes découvertes. "Nous avons maintenant démontré qu'une reconnexion rapide peut se produire dans des systèmes partiellement ionisés."

Par exemple, la recherche suggère qu'une reconnexion rapide dans le plasma partiellement ionisé dans la chromosphère solaire, la région entre la surface du soleil et la couronne solaire en forme de halo, pourrait jouer un rôle dans le développement des courants-jets. De tels ruisseaux sont une source possible du vent solaire qui rebondit chaud, plasma chargé du champ magnétique terrestre.

Implications importantes

La reconnexion rapide dans un plasma partiellement ionisé a des implications importantes pour le milieu interstellaire, les vastes nuages ​​de gaz et de poussière qui remplissent le cosmos entre les étoiles. Le froid, les régions denses du milieu interstellaire où se forment les étoiles ne sont que très mal ionisées, et la reconnexion rapide qui se produit dans ces régions peut aider à éliminer les champs magnétiques qui empêchent la formation d'étoiles.

Comprendre quand et où la reconnexion rapide se produit reste un problème non résolu, et les prédictions analytiques précédentes pour les plasmas partiellement ionisés reposaient sur l'extrapolation à partir de plasmas entièrement ionisés. Les nouvelles simulations, réalisée sur des ordinateurs à l'Université de Princeton, ont démontré que la transition vers une reconnexion rapide ne se produit que lorsque la feuille actuelle est beaucoup plus mince que prévu. Les résultats suggèrent que le transport du plasma et de la chaleur est différent dans les plasmas partiellement ionisés et peut modifier comment et quand la reconnexion se produit.

Ces résultats portent sur la reconnexion à très petite échelle, contrairement au processus qui se produit dans la chromosphère solaire. Néanmoins, la simulation s'est avérée compatible avec une reconnexion dans la chromosphère supérieure ainsi que dans des expériences de laboratoire à petite échelle.

Aller de l'avant, Jara-Almonte prévoit de comparer les résultats de la simulation cinétique avec ceux des simulations de fluides qui ont dominé la modélisation précédente des plasmas partiellement ionisés. Les co-auteurs du récent article étaient les physiciens du PPPL Hantao Ji, professeur de sciences astrophysiques à l'Université de Princeton; Masaaki Yamada, chercheur principal de l'expérience de reconnexion magnétique (MRX) au PPPL; et Will Fox, avec Bill Daughton du Laboratoire national de Los Alamos.