Alors que la Terre tourne autour du soleil, il traverse un flux de particules en mouvement rapide qui peuvent interférer avec les satellites et les systèmes de positionnement global. Maintenant, une équipe de scientifiques du laboratoire de physique du plasma de Princeton (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) et de l'Université de Princeton a reproduit un processus qui se produit dans l'espace pour approfondir la compréhension de ce qui se passe lorsque la Terre rencontre ce vent solaire.

L'équipe a utilisé des simulations informatiques pour modéliser le mouvement d'un jet de plasma, l'état chargé de la matière composée d'électrons et de noyaux atomiques qui compose toutes les étoiles du ciel, y compris notre soleil. De nombreux événements cosmiques peuvent produire des jets de plasma, des rots d'étoiles relativement petits aux gigantesques explosions stellaires connues sous le nom de supernovae. Lorsque des jets de plasma rapides traversent le plasma plus lent qui existe dans le vide de l'espace, il crée ce qu'on appelle une onde de choc sans collision.

Ces chocs se produisent également lorsque la Terre se déplace à travers le vent solaire et peuvent influencer la façon dont le vent tourbillonne dans et autour de la magnétosphère terrestre, le bouclier magnétique protecteur qui s'étend dans l'espace. Comprendre les ondes de choc plasma pourrait aider les scientifiques à prévoir la météo spatiale qui se développe lorsque le vent solaire tourbillonne dans la magnétosphère et permettre aux chercheurs de protéger les satellites qui permettent aux gens de communiquer à travers le monde.

Les simulations ont révélé plusieurs signes révélateurs indiquant quand un choc se forme, y compris les caractéristiques de l'amortisseur, les trois étapes de la formation du choc, et des phénomènes qui pourraient être pris pour un choc. "En étant capable de distinguer un choc d'autres phénomènes, les scientifiques peuvent être sûrs que ce qu'ils voient dans une expérience est ce qu'ils veulent étudier dans l'espace, " a déclaré Derek Schaeffer, chercheur associé au département d'astrophysique de l'Université de Princeton qui a dirigé l'équipe de recherche PPPL. Les résultats ont été rapportés dans un article publié dans Physique des plasmas qui faisait suite à des recherches antérieures rapportées ici et ici.

Les chocs de plasma qui se produisent dans l'espace, comme ceux créés par la Terre voyageant contre le vent solaire, ressemblent aux ondes de choc créées dans l'atmosphère terrestre par les avions à réaction supersoniques. Dans les deux cas, un matériau en mouvement rapide rencontre un matériau lent ou stationnaire et doit changer rapidement de vitesse, créant une zone de tourbillons, de tourbillons et de turbulences.

Mais dans l'espace, les interactions entre les particules de plasma rapides et lentes se produisent sans que les particules ne se touchent. " Quelque chose d'autre doit être à l'origine de cette formation de choc, comme les particules de plasma s'attirant ou se repoussant électriquement, " dit Schaeffer. " En tout cas, le mécanisme n'est pas entièrement compris."

Pour accroître leur compréhension, les physiciens mènent des expériences sur le plasma en laboratoire pour surveiller de près les conditions et les mesurer avec précision. En revanche, les mesures prises par les engins spatiaux ne peuvent pas être facilement répétées et n'échantillonnent qu'une petite région de plasma. Des simulations informatiques aident ensuite les physiciens à interpréter leurs données de laboratoire.

Aujourd'hui, la plupart des chocs plasma de laboratoire sont formés à l'aide d'un mécanisme appelé piston à plasma. Pour créer le piston, les scientifiques braquent un laser sur une petite cible. Le laser fait chauffer de petites quantités de la surface de la cible, devenir un plasma, et se déplacer vers l'extérieur à travers un environnement, plasma plus lent.

Schaeffer et ses collègues ont produit leur simulation en modélisant ce processus. "Pensez à un rocher au milieu d'un cours d'eau rapide, " a déclaré Schaeffer. " L'eau viendra jusqu'à l'avant du rocher, mais pas tout à fait l'atteindre. La zone de transition entre le mouvement rapide et le mouvement zéro [debout] est le choc."

Les résultats simulés aideront les physiciens à distinguer une onde de choc plasma astrophysique des autres conditions qui surviennent dans les expériences de laboratoire. "Au cours d'expériences au plasma laser, vous pourriez observer beaucoup d'échauffement et de compression et penser qu'il s'agit de signes de choc, " Schaeffer a déclaré. "Mais nous n'en savons pas assez sur les premiers stades d'un choc pour le savoir à partir de la théorie seule. Pour ce genre d'expériences laser, nous devons trouver comment faire la différence entre un choc et simplement l'expansion du plasma entraîné par laser."

À l'avenir, les chercheurs visent à rendre les simulations plus réalistes en ajoutant plus de détails et en rendant la densité et la température du plasma moins uniformes. Ils aimeraient également mener des expériences pour déterminer si les phénomènes prédits par les simulations peuvent effectivement se produire dans un appareil physique. "Nous aimerions mettre à l'épreuve les idées dont nous parlons dans le journal, " dit Schaeffer.