Un processus déroutant appelé reconnexion magnétique déclenche des phénomènes explosifs dans tout l'univers, créant des éruptions solaires et des tempêtes spatiales qui peuvent interrompre le service de téléphonie mobile et les réseaux électriques. Les scientifiques du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du Département américain de l'énergie (DOE) ont détaillé une feuille de route pour démêler un aspect clé de ce puzzle qui pourrait approfondir les connaissances sur le fonctionnement du cosmos.

La reconnexion convertit l'énergie du champ magnétique en éruptions de particules dans les plasmas astrophysiques en séparant et en reconnectant de manière explosive les lignes de champ magnétique, un processus qui se produit dans ce qu'on appelle des régions de dissipation qui sont souvent énormément plus petites que les régions qu'elles affectent.

Champ magnétique stressé

"Le plasma n'aime pas la reconnexion", a déclaré Hantao Ji, physicien du PPPL et professeur à l'Université de Princeton, premier auteur d'un article détaillant la feuille de route dans Nature Reviews Physics . "Cependant, la reconnexion se produit lorsque le champ magnétique est suffisamment sollicité", a-t-il déclaré.

"Les échelles de dissipation sont minuscules alors que les échelles astrophysiques sont très grandes et peuvent s'étendre sur des millions de kilomètres. Trouver un moyen de relier ces échelles via un mécanisme à plusieurs échelles est la clé pour résoudre le puzzle de la reconnexion."

La feuille de route décrit le rôle du développement de technologies à capacités multi-échelles telles que la Facility for Laboratory Reconnection Experiment (FLARE), une installation collaborative récemment installée qui est en cours de mise à niveau et qui explorera des facettes de la reconnexion magnétique jamais accessibles auparavant aux expériences de laboratoire. Ces expériences seront complétées par des simulations sur les prochains supercalculateurs exascale qui seront 10 fois plus rapides que les ordinateurs actuels. "Nous espérons que FLARE et l'informatique exascale vont de pair", a déclaré Ji.

La théorie de travail proposée par la feuille de route PPPL est que plusieurs plasmoïdes, ou îlots magnétiques, résultant de la reconnexion le long de longues nappes de courant de plasma pourraient combler la vaste gamme d'échelles. De tels plasmoïdes correspondraient plus étroitement à la région de reconnexion affectée, avec des expériences de laboratoire multi-échelles prévues pour fournir les premiers tests de cette théorie et pour évaluer les hypothèses concurrentes.

"Exascale nous permettra de faire des simulations plus crédibles basées sur des expériences FLARE haute fidélité", a déclaré le physicien PPPL Jongsoo Yoo, co-auteur de l'article. La taille et la puissance accrues de la nouvelle machine - son diamètre sera deux fois supérieur à celui de l'expérience de reconnexion magnétique (MRX) de la taille d'un véhicule utilitaire sportif, l'expérience de laboratoire de longue date de PPPL - et permettra aux scientifiques de reproduire plus fidèlement la reconnexion dans la nature .

"FLARE peut accéder à des régimes astrophysiques plus larges que MRX avec plusieurs points de reconnexion et mesurer la géométrie du champ lors de la reconnexion", a déclaré William Daughton, scientifique en informatique au Laboratoire national de Los Alamos et co-auteur de l'article. "Comprendre cette physique est important pour prédire comment la reconnexion se déroule lors des éruptions solaires", a-t-il déclaré.

Défi clé

Un défi majeur pour les expériences à venir sera d'innover de nouveaux systèmes de diagnostic à haute résolution sans hypothèses restrictives. Une fois développés, ces systèmes permettront à FLARE de s'appuyer sur des observations de satellites telles que celles produites par la mission Magnetospheric Multiscale, une flotte de quatre engins spatiaux lancée en 2015 pour étudier la reconnexion dans la magnétosphère, le champ magnétique qui entoure la Terre.

"Les progrès dans la compréhension de la physique multi-échelle dépendent de manière critique de l'innovation et de la mise en œuvre efficace de tels systèmes de diagnostic au cours de la prochaine décennie", indique le document. Les nouvelles découvertes répondront à des questions ouvertes telles que :

• Comment la reconnexion commence-t-elle exactement ?

• Comment les particules de plasma explosives sont-elles chauffées et accélérées ?

• Quel rôle la reconnexion joue-t-elle dans les processus connexes tels que la turbulence et les chocs spatiaux ?

Dans l'ensemble, "le document présente des plans pour fournir à l'ensemble des communautés de physique spatiale et d'astrophysique des méthodes pour résoudre le problème à plusieurs échelles", a déclaré Yoo. Une telle solution marquerait une étape majeure vers une compréhension plus complète de la reconnexion magnétique dans les grands systèmes de l'univers. + Explorer plus loin

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