Le plasma est une matière si chaude que les électrons sont séparés des atomes. Les électrons flottent librement et les atomes deviennent des ions. Cela crée un gaz ionisé – le plasma – qui constitue la quasi-totalité de l’univers visible. Des recherches récentes montrent que des champs magnétiques peuvent émerger spontanément dans un plasma. Cela peut se produire si le plasma a une anisotropie de température, une température différente selon les différentes directions spatiales.
Ce mécanisme est connu sous le nom d’instabilité de Weibel. Il a été prédit par le théoricien du plasma Eric Weibel il y a plus de six décennies, mais ce n’est que maintenant qu’il a été observé sans ambiguïté en laboratoire. Une nouvelle recherche, maintenant publiée dans Actes de l’Académie nationale des sciences, constate que ce processus peut convertir une fraction importante de l’énergie stockée dans l’anisotropie de température en énergie de champ magnétique. Il constate également que l’instabilité de Weibel pourrait être une source de champs magnétiques qui imprègnent tout le cosmos.
La matière dans notre univers observable est à l’état de plasma et elle est magnétisée. Des champs magnétiques au niveau micro-gauss (environ un millionième des champs magnétiques terrestres) imprègnent les galaxies. On pense que ces champs magnétiques sont amplifiés à partir de champs de semences faibles par le mouvement en spirale des galaxies, connu sous le nom de dynamo galactique. La façon dont les champs magnétiques germes sont créés est une question de longue date en astrophysique.
Ce nouveau travail offre une solution possible à ce problème épineux de l’origine des champs magnétiques de graine au niveau microgauss. La recherche a utilisé une nouvelle plate-forme qui a un grand potentiel pour étudier la dynamique ultrarapide des champs magnétiques dans les plasmas de laboratoire qui sont pertinents pour la physique de l’astro et de la haute densité d’énergie.
Théorisée pour la première fois il y a six décennies, l’instabilité de Weibel entraînée par l’anisotropie de la température est considérée comme un mécanisme important pour l’auto-magnétisation de nombreux plasmas de laboratoire et astrophysiques. Cependant, les scientifiques ont été confrontés à deux défis pour démontrer sans ambiguïté l’instabilité de Weibel. Tout d’abord, jusqu’à récemment, les chercheurs n’étaient pas en mesure de générer un plasma avec une anisotropie de température connue comme initialement envisagé par Weibel. Deuxièmement, les chercheurs ne disposaient d’aucune technique appropriée pour mesurer la topologie complexe et en évolution rapide des champs magnétiques générés par la suite dans le plasma.
Ce travail, rendu possible par la capacité unique de l’Accelerator Test Facility, une installation utilisateur du Département de l’énergie (DOE) du Brookhaven National Laboratory, a utilisé une nouvelle plate-forme expérimentale qui a permis aux chercheurs de créer un plasma d’hydrogène avec des distributions de vitesse d’électrons hautement anisotropes connues. sur une échelle de temps de dizaines de billionièmes de seconde en utilisant une impulsion laser au dioxyde de carbone ultracourte mais intense.
La thermalisation ultérieure du plasma se produit via l’auto-organisation des courants de plasma qui produit des champs magnétiques entraînés par l’instabilité de Weibel. Ces champs sont suffisamment grands pour dévier les électrons relativistes afin de révéler une image des champs magnétiques à une certaine distance du plasma. Les chercheurs ont obtenu un film de l’évolution de ces champs magnétiques avec une excellente résolution spatio-temporelle en utilisant un faisceau d’électrons relativistes d’une picoseconde pour sonder ces champs.
Plus d’information:
Cartographier les champs magnétiques auto-générés dus à l’instabilité thermique de Weibel, Actes de l’Académie nationale des sciences (2023). DOI : 10.1073/pnas.221171311. www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2211713119