Des ondes de choc à haute énergie entraînées par des éruptions solaires et des éjections de masse coronale de plasma du soleil éclatent dans tout le système solaire, déclenchant des tempêtes spatiales magnétiques qui peuvent endommager les satellites, perturber le service de téléphonie mobile et couper les réseaux électriques sur Terre. Le vent solaire, un plasma qui s'écoule constamment du soleil et secoue le champ magnétique protecteur de la Terre, est également à l'origine d'ondes à haute énergie.

Aujourd'hui, des expériences menées par des chercheurs du laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) au Princeton Center for Heliophysics ont pour la première fois reproduit le processus à l'origine de tels chocs. Les résultats comblent le fossé entre les observations en laboratoire et celles des engins spatiaux et font progresser la compréhension du fonctionnement de l'univers.

Sauts soudains

Les expérimentations, signalé dans Lettres d'examen physique , montrer comment l'interaction du plasma - l'état de la matière composé d'électrons libres et de noyaux atomiques, ou des ions—peuvent provoquer des sauts soudains de la pression plasmatique et de l'intensité du champ magnétique qui peuvent accélérer les particules à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. De tels chocs sont "sans collision" car ils sont formés par l'interaction d'ondes et de particules de plasma plutôt que par des collisions entre les particules elles-mêmes.

La recherche a permis de mesurer l'intégralité de la période précédant les chocs. "La mesure directe est un moyen élégant de voir comment les particules se déplacent et interagissent, " a déclaré le physicien Derek Schaeffer de PPPL et de l'Université de Princeton, qui a dirigé la recherche. "Notre article montre que nous pouvons utiliser un diagnostic puissant pour étudier les mouvements des particules qui conduisent aux chocs."

La recherche, menée sur l'installation laser Omega de l'Université de Rochester, a produit un plasma entraîné par laser - appelé plasma "à piston" - qui s'est étendu à une vitesse supersonique de plus d'un million de miles par heure à travers un plasma ambiant préexistant. L'expansion a accéléré les ions dans le plasma ambiant à des vitesses d'environ un demi-million de miles par heure, simulant le précurseur des chocs sans collision qui se produisent dans tout le cosmos.

La recherche s'est déroulée en plusieurs étapes :

• D'abord, la création du plasma piston a reproduit les plasmas supersoniques qui se forment dans l'espace. Le piston agissait comme un chasse-neige, balayant les ions du plasma ambiant noyé dans un champ magnétique.
• Au fur et à mesure que ces ions étaient emportés, ils formaient une barrière qui empêchait le piston d'agir davantage. « Une fois que vous avez accumulé suffisamment de « neige », l'amortisseur se découple du piston, " a déclaré Schaeffer.
• Le piston arrêté a transmis la formation du choc au plasma magnétisé hautement comprimé, ce qui a donné lieu au saut soudain sans collision.

Les chercheurs ont utilisé un diagnostic appelé diffusion Thompson pour suivre ces développements. Le diagnostic détecte la lumière laser diffusée par les électrons dans le plasma, permettant de mesurer la température et la densité des électrons et la vitesse des ions circulant. Les résultats, les auteurs écrivent, montrent que les expériences de laboratoire peuvent sonder le comportement des particules de plasma dans le précurseur de chocs astrophysiques sans collision, " et peut compléter, et, dans certains cas, surmonter les limites de mesures similaires effectuées par des missions spatiales. »

But ultime

Alors que cette recherche reproduisait le processus qui déclenche les chocs, le but ultime est de mesurer les particules accélérées par le choc elles-mêmes. Pour cette étape, dit Schaeffer, "le même diagnostic peut être utilisé une fois que nous aurons développé la capacité de conduire des chocs suffisamment forts. En prime, " il ajoute, "Ce diagnostic est similaire à la façon dont les engins spatiaux mesurent les mouvements des particules dans les chocs spatiaux, afin que les résultats futurs puissent être directement comparés."