Dans un article récemment publié par Lettres d'examen physique , une équipe de chercheurs comprenant des scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) détaille les premières mesures quantitatives de la structure du champ magnétique de la filamentation du plasma entraînée par l'instabilité de Weibel, en utilisant une nouvelle technique de diffusion optique Thompson.

Ces expériences étudient les processus responsables de la formation de chocs sans collision, phénomènes observés en milieu astrophysique, comme l'expansion des explosions de supernova dans le milieu interstellaire. Les particules de ces explosions et du milieu interstellaire sont à très faible densité et pourraient voyager à des années-lumière sans entrer en collision.

Cependant, le plasma est capable de générer lui-même de forts champs magnétiques et électriques. Au fur et à mesure que les flux de plasma se croisent, ils deviennent sensibles à l'instabilité de Weibel - une instabilité du plasma présente dans certains plasmas électromagnétiques - provoquant un "filament" des deux flux interpénétrés et l'agrégation en flux séparés. Des champs magnétiques s'enroulent autour de ces flux filamenteux, augmenter le degré de filamentation.

Le plasma amplifie ces champs magnétiques jusqu'à ce qu'ils deviennent suffisamment puissants pour retourner complètement les particules. À ce stade, le flux s'arrête et le choc sans collision se forme. Les puissants champs magnétiques associés au choc ont un autre effet :leur mouvement turbulent dans le plasma accélère les particules chargées à haute énergie, produisant des rayons cosmiques observables sur Terre. L'instabilité de Weibel est l'élément le plus critique dans le processus de formation du choc.

"Le but des expériences est d'étudier la dynamique de l'instabilité de Weibel, " dit George Swadling, Physicien du LLNL et auteur principal de l'article. "Alors que les effets de la filamentation avaient été observés dans des expériences précédentes utilisant la radiographie protonique, aucune mesure directe n'avait été faite de la dynamique du plasma. Ces mesures directes permettent de benchmarker très directement les modèles théoriques et numériques, qui permettent de comprendre la croissance et le développement de cette instabilité.

"Ces processus se produisent à des échelles trop petites pour être observées dans les systèmes astrophysiques, les expériences en laboratoire offrent donc la meilleure opportunité de tester les modèles théoriques, " ajouta-t-il. " Dans ce cas, nous avons pu contraindre le modèle utilisé pour prédire la force maximale des champs magnétiques produits par ce processus."

Grâce à l'installation OMEGA du Laboratoire d'énergie laser de l'Université de Rochester, l'équipe a chauffé des paires de disques de béryllium de 1 millimètre de diamètre à l'aide d'impulsions laser de 1 nanoseconde. Les surfaces chauffées se dilatent, produisant des flux de plasma avec des vitesses de pointe de 3,3 millions de miles par heure. Les chercheurs ont heurté les flux et étudié le comportement du plasma au centre de collision à l'aide du diagnostic optique de diffusion Thomson, qui mesure la température, densité et vitesse des flux de plasma, leur permettant d'observer directement la formation de filaments de plasma due à l'instabilité de Weibel et de mesurer le courant et le champ magnétique associés à ces filaments.

« Un énorme travail théorique et de simulation a été effectué pour comprendre comment cette instabilité se développe et comment elle peut former des chocs et accélérer des particules. Les preuves expérimentales pour tester ces théories ont cependant fait défaut, " Swadling a déclaré. "Nos données hautement quantitatives représentent donc l'une des meilleures opportunités à ce jour pour tester les modèles théoriques et les codes de simulation utilisés pour prédire ces phénomènes."

Regarder vers l'avant, l'équipe appliquera ce qu'elle a appris dans cette campagne pour comparer la particule dans les modèles cellulaires utilisés pour concevoir des expériences et effectuer plus de mesures lorsque l'instabilité s'est développée davantage, leur permettant d'observer la transition du plasma instable à l'état de choc complètement formé.