Comment l’univers a obtenu son champ magnétique

Lorsque nous regardons dans l’espace, tous les objets astrophysiques que nous voyons sont intégrés dans des champs magnétiques. Cela est vrai non seulement dans le voisinage des étoiles et des planètes, mais aussi dans l’espace profond entre les galaxies et les amas galactiques. Ces champs sont faibles – généralement beaucoup plus faibles que ceux d’un aimant de réfrigérateur – mais ils sont dynamiquement significatifs en ce sens qu’ils ont des effets profonds sur la dynamique de l’univers. Malgré des décennies d’intérêt et de recherche intenses, l’origine de ces champs magnétiques cosmiques reste l’un des mystères les plus profonds de la cosmologie.

Lors de recherches antérieures, les scientifiques ont compris comment la turbulence, le mouvement de barattage commun aux fluides de tous types, pouvait amplifier les champs magnétiques préexistants grâce au processus dit de dynamo. Mais cette découverte remarquable n’a fait qu’approfondir le mystère. Si une dynamo turbulente ne pouvait qu’amplifier un champ existant, d’où venait le champ magnétique « germe » en premier lieu ?

Nous n’aurions pas de réponse complète et cohérente sur l’origine des champs magnétiques astrophysiques tant que nous n’aurions pas compris comment les champs germes sont apparus. De nouveaux travaux menés par l’étudiante diplômée du MIT Muni Zhou, son conseiller Nuno Loureiro, professeur de sciences et d’ingénierie nucléaires au MIT, et ses collègues de l’Université de Princeton et de l’Université du Colorado à Boulder fournissent une réponse qui montre les processus de base qui génèrent un champ d’un état complètement non magnétisé au point où il est suffisamment puissant pour que le mécanisme de la dynamo prenne le relais et amplifie le champ aux grandeurs que nous observons.

Les champs magnétiques sont partout

Des champs magnétiques naturels sont observés partout dans l’univers. Ils ont été observés pour la première fois sur Terre il y a des milliers d’années, grâce à leur interaction avec des minéraux magnétisés comme la magnétite, et utilisés pour la navigation bien avant que les gens ne comprennent leur nature ou leur origine. Le magnétisme sur le soleil a été découvert au début du 20e siècle par ses effets sur le spectre de la lumière émise par le soleil. Depuis lors, des télescopes plus puissants regardant profondément dans l’espace ont découvert que les champs étaient omniprésents.

Et tandis que les scientifiques savaient depuis longtemps comment fabriquer et utiliser des aimants permanents et des électroaimants, qui avaient toutes sortes d’applications pratiques, les origines naturelles des champs magnétiques dans l’univers restaient un mystère. Des travaux récents ont fourni une partie de la réponse, mais de nombreux aspects de cette question font encore l’objet de débats.

Amplification des champs magnétiques : l’effet dynamo

Les scientifiques ont commencé à réfléchir à ce problème en examinant la manière dont les champs électriques et magnétiques étaient produits en laboratoire. Lorsque des conducteurs, comme du fil de cuivre, se déplacent dans des champs magnétiques, des champs électriques sont créés. Ces champs, ou tensions, peuvent alors entraîner des courants électriques. C’est ainsi que l’électricité que nous utilisons chaque jour est produite. Grâce à ce processus d’induction, de grands générateurs ou « dynamos » convertissent l’énergie mécanique en énergie électromagnétique qui alimente nos maisons et nos bureaux. Une caractéristique clé des dynamos est qu’elles ont besoin de champs magnétiques pour fonctionner.

Mais dans l’univers, il n’y a pas de fils évidents ou de grandes structures en acier, alors comment les champs apparaissent-ils ? Les progrès sur ce problème ont commencé il y a environ un siècle alors que les scientifiques réfléchissaient à la source du champ magnétique terrestre. À ce moment-là, des études sur la propagation des ondes sismiques ont montré qu’une grande partie de la Terre, sous les couches superficielles plus froides du manteau, était liquide et qu’il y avait un noyau composé de nickel et de fer en fusion. Les chercheurs ont émis l’hypothèse que le mouvement convectif de ce liquide chaud et électriquement conducteur et la rotation de la Terre se combinaient d’une certaine manière pour générer le champ terrestre.

Finalement, des modèles ont émergé qui ont montré comment le mouvement convectif pouvait amplifier un champ existant. Ceci est un exemple d ‘«auto-organisation» – une caractéristique souvent observée dans les systèmes dynamiques complexes – où des structures à grande échelle se développent spontanément à partir d’une dynamique à petite échelle. Mais tout comme dans une centrale électrique, il fallait un champ magnétique pour créer un champ magnétique.

Un processus similaire est à l’œuvre dans tout l’univers. Cependant, dans les étoiles et les galaxies et dans l’espace qui les sépare, le fluide électriquement conducteur n’est pas du métal en fusion, mais du plasma, un état de la matière qui existe à des températures extrêmement élevées où les électrons sont arrachés à leurs atomes. Sur Terre, les plasmas peuvent être vus dans les éclairs ou les néons. Dans un tel milieu, l’effet dynamo peut amplifier un champ magnétique existant, à condition qu’il commence à un niveau minimal.

Fabriquer les premiers champs magnétiques

D’où vient ce champ de semences ? C’est là que les récents travaux de Zhou et de ses collègues, publiés le 5 mai dans PNAS, entre en jeu. Zhou a développé la théorie sous-jacente et effectué des simulations numériques sur de puissants superordinateurs qui montrent comment le champ de semences peut être produit et quels processus fondamentaux sont à l’œuvre. Un aspect important du plasma qui existe entre les étoiles et les galaxies est qu’il est extraordinairement diffus, généralement environ une particule par mètre cube. C’est une situation très différente de l’intérieur des étoiles, où la densité de particules est supérieure d’environ 30 ordres de grandeur. Les faibles densités signifient que les particules des plasmas cosmologiques n’entrent jamais en collision, ce qui a des effets importants sur leur comportement qui ont dû être inclus dans le modèle que ces chercheurs développaient.

Les calculs effectués par les chercheurs du MIT ont suivi la dynamique de ces plasmas, qui se sont développés à partir d’ondes bien ordonnées mais sont devenus turbulents à mesure que l’amplitude augmentait et que les interactions devenaient fortement non linéaires. En incluant les effets détaillés de la dynamique du plasma à petite échelle sur les processus astrophysiques macroscopiques, ils ont démontré que les premiers champs magnétiques peuvent être produits spontanément par des mouvements génériques à grande échelle aussi simples que des écoulements cisaillés. Tout comme les exemples terrestres, l’énergie mécanique a été convertie en énergie magnétique.

Un résultat important de leur calcul était l’amplitude du champ magnétique généré spontanément attendu. Cela a montré que l’amplitude du champ pouvait passer de zéro à un niveau où le plasma est « magnétisé », c’est-à-dire où la dynamique du plasma est fortement affectée par la présence du champ. À ce stade, le mécanisme traditionnel de la dynamo peut prendre le relais et élever les champs aux niveaux observés. Ainsi, leur travail représente un modèle auto-cohérent pour la génération de champs magnétiques à l’échelle cosmologique.

Le professeur Ellen Zweibel de l’Université du Wisconsin à Madison note que « malgré des décennies de progrès remarquables en cosmologie, l’origine des champs magnétiques dans l’univers reste inconnue. Il est merveilleux de voir la théorie de la physique des plasmas et la simulation numérique de pointe porter sur ce problème fondamental. »

Zhou et ses collègues continueront d’affiner leur modèle et d’étudier le passage de la génération du champ de semences à la phase d’amplification de la dynamo. Une partie importante de leurs recherches futures consistera à déterminer si le processus peut fonctionner sur une échelle de temps compatible avec les observations astronomiques. Pour citer les chercheurs, « Ce travail constitue la première étape dans la construction d’un nouveau paradigme pour comprendre la magnétogenèse dans l’univers. »

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, de l’innovation et de l’enseignement au MIT.