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. Maintenant, 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 la compréhension du 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 impactent.
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 en Nature Avis Physique. « 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 casse-tête de la reconnexion. »
La feuille de route décrit le rôle du développement de technologies dotées de 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. « L’espoir est que FLARE et l’informatique exascale aillent 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 le double de celui de l’expérience de reconnexion magnétique (MRX) de la taille d’un véhicule utilitaire sport, l’expérience de laboratoire de longue date de PPPL – et permettront 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 dans les éruptions solaires », a-t-il déclaré.
Défi clé
L’un des principaux défis des expériences à venir consistera à innover dans 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 joue la reconnexion 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 la physique spatiale et de l’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.
Hantao Ji et al, Reconnexion magnétique à l’ère de l’informatique exascale et des expériences multi-échelles, Nature Avis Physique (2022). DOI : 10.1038/s42254-021-00419-x