De vastes événements interstellaires où des nuages ​​de matière chargée se précipitent les uns dans les autres et crachent des particules de haute énergie ont maintenant été reproduits en laboratoire avec une haute fidélité. L'oeuvre, par des chercheurs du MIT et une équipe internationale de collègues, devrait aider à résoudre des différends de longue date sur ce qui se passe exactement dans ces chocs gigantesques.

Bon nombre des événements à plus grande échelle, comme la bulle de matière en expansion qui jaillit d'une supernova, impliquent un phénomène appelé choc sans collision. Dans ces interactions, les nuages ​​de gaz ou de plasma sont si raréfiés que la plupart des particules impliquées se manquent en fait, mais ils interagissent néanmoins électromagnétiquement ou d'autres manières pour produire des ondes de choc et des filaments visibles. Ces événements de haute énergie ont jusqu'à présent été difficiles à reproduire dans des conditions de laboratoire qui reflètent celles d'un environnement astrophysique, conduisant à des désaccords parmi les physiciens quant aux mécanismes à l'œuvre dans ces phénomènes astrophysiques.

Maintenant, les chercheurs ont réussi à reproduire en laboratoire les conditions critiques de ces chocs sans collision, permettant une étude détaillée des processus qui se déroulent au sein de ces écrasements cosmiques géants. Les nouvelles découvertes sont décrites dans la revue Lettres d'examen physique , dans un article de Chikang Li, chercheur principal du MIT Plasma Science and Fusion Center, cinq autres au MIT, et 14 autres dans le monde.

Pratiquement toute la matière visible dans l'univers est sous forme de plasma, une sorte de soupe de particules subatomiques où des électrons chargés négativement nagent librement avec des ions chargés positivement au lieu d'être connectés les uns aux autres sous forme d'atomes. Le soleil, les étoiles, et la plupart des nuages ​​de matière interstellaire sont constitués de plasma.

La plupart de ces nuages ​​interstellaires sont extrêmement ténus, avec une densité si faible que les vraies collisions entre leurs particules constituantes sont rares même lorsqu'un nuage heurte un autre à des vitesses extrêmes qui peuvent être beaucoup plus rapides que 1, 000 kilomètres par seconde. Néanmoins, le résultat peut être une onde de choc spectaculairement lumineuse, montrant parfois beaucoup de détails structurels, y compris de longs filaments de fuite.

Les astronomes ont découvert que de nombreux changements se produisent à ces limites de choc, où les paramètres physiques "sautent, " dit Li. Mais déchiffrer les mécanismes qui se déroulent dans les chocs sans collision a été difficile, car la combinaison de vitesses extrêmement élevées et de faibles densités a été difficile à égaler sur Terre.

Alors que des chocs sans collision avaient été prédits plus tôt, le premier qui a été directement identifié, dans les années 1960, était le choc d'étrave formé par le vent solaire, un flux ténu de particules émanant du soleil, lorsqu'il heurte le champ magnétique terrestre. Bientôt, beaucoup de ces chocs ont été reconnus par les astronomes dans l'espace interstellaire. Mais dans les décennies qui ont suivi, "il y a eu beaucoup de simulations et de modélisations théoriques, mais un manque d'expérimentation" pour comprendre le fonctionnement des processus, dit Li.

Li et ses collègues ont trouvé un moyen d'imiter les phénomènes en laboratoire en générant un jet de plasma de faible densité à l'aide d'un ensemble de six puissants faisceaux laser, à l'installation laser OMEGA de l'Université de Rochester, et le diriger vers un sac en plastique polyimide à paroi mince rempli d'hydrogène gazeux à faible densité. Les résultats reproduisaient bon nombre des instabilités détaillées observées dans l'espace lointain, confirmant ainsi que les conditions correspondent suffisamment pour permettre une analyse détaillée, étude approfondie de ces phénomènes insaisissables. Une quantité appelée libre parcours moyen des particules de plasma a été mesurée comme étant bien supérieure aux largeurs des ondes de choc, Li dit, répondant ainsi à la définition formelle d'un choc sans collision.

À la limite du choc sans collision généré en laboratoire, la densité du plasma a augmenté de façon spectaculaire. L'équipe a pu mesurer les effets détaillés sur les côtés amont et aval du front de choc, leur permettant de commencer à différencier les mécanismes impliqués dans le transfert d'énergie entre les deux nuages, quelque chose que les physiciens ont passé des années à essayer de comprendre. Les résultats sont cohérents avec un ensemble de prédictions basées sur ce qu'on appelle le mécanisme de Fermi, Li dit, mais d'autres expériences seront nécessaires pour écarter définitivement certains autres mécanismes qui ont été proposés.

"Pour la première fois, nous avons pu mesurer directement la structure" de parties importantes du choc sans collision, dit Li. « Les gens poursuivent cela depuis plusieurs décennies. »

La recherche a également montré exactement combien d'énergie est transférée aux particules qui traversent la frontière de choc, qui les accélère à des vitesses qui sont une fraction significative de la vitesse de la lumière, produisant ce qu'on appelle des rayons cosmiques. Une meilleure compréhension de ce mécanisme « était le but de cette expérience, et c'est ce que nous avons mesuré" dit Li, notant qu'ils ont capturé un spectre complet des énergies des électrons accélérés par le choc.

"Ce rapport est le dernier volet d'une série d'expériences transformatrices, rapport annuel depuis 2015, émuler une onde de choc astrophysique réelle pour comparaison avec des observations spatiales, " dit Mark Koepke, professeur de physique à la West Virginia University et président de l'Omega Laser Facility User Group, qui n'a pas participé à l'étude. "Simulations informatiques, observations spatiales, et ces expériences renforcent les interprétations de la physique qui font progresser notre compréhension des mécanismes d'accélération des particules en jeu dans les événements cosmiques à haute densité d'énergie tels que les sorties de plasma relativiste induites par les rayons gamma."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.