Lors de crises passagères, le soleil projette occasionnellement une quantité colossale d’énergie dans l’espace. Appelées éruptions solaires, ces éruptions ne durent que quelques minutes et peuvent déclencher des pannes de courant catastrophiques et des aurores éblouissantes sur Terre. Mais nos principales théories mathématiques sur le fonctionnement de ces éruptions ne parviennent pas à prédire la force et la vitesse de ce que nous observons.
Au cœur de ces explosions se trouve un mécanisme qui convertit l’énergie magnétique en puissantes explosions de lumière et de particules. Cette transformation est catalysée par un processus appelé reconnexion magnétique, dans lequel des champs magnétiques en collision se brisent et se réalignent instantanément, projetant des matériaux dans le cosmos. En plus d’alimenter les éruptions solaires, la reconnexion peut alimenter les particules rapides et à haute énergie éjectées par les étoiles qui explosent, la lueur des jets des trous noirs en fête et le vent constant soufflé par le soleil.
Malgré l’omniprésence du phénomène, les scientifiques ont du mal à comprendre comment il fonctionne si efficacement. Une théorie récente propose que lorsqu’il s’agit de résoudre les mystères de la reconnexion magnétique, la petite physique joue un rôle important. En particulier, cela explique pourquoi certains événements de reconnexion sont si rapides, et pourquoi les plus forts semblent se produire à une vitesse caractéristique. Comprendre les détails microphysiques de la reconnexion pourrait aider les chercheurs à construire de meilleurs modèles de ces éruptions énergétiques et à donner un sens aux crises de colère cosmiques.
“Jusqu’à présent, c’est la meilleure théorie que je puisse voir”, a déclaré Hantao Ji, un physicien des plasmas à l’Université de Princeton qui n’a pas participé à l’étude. “C’est une grande réussite.”
Tâtonner avec des fluides
Presque toute la matière connue dans l’univers existe sous forme de plasma, une soupe de gaz ardente où des températures infernales ont réduit les atomes en particules chargées. Au fur et à mesure qu’elles se déplacent, ces particules génèrent des champs magnétiques, qui guident ensuite les mouvements des particules. Cette interaction chaotique crée un désordre brouillé de lignes de champ magnétique qui, comme des élastiques, stockent de plus en plus d’énergie à mesure qu’elles sont étirées et tordues.
Dans les années 1950, les scientifiques ont proposé une explication de la façon dont les plasmas éjectent leur énergie refoulée, un processus appelé reconnexion magnétique. Lorsque des lignes de champ magnétique pointant dans des directions opposées entrent en collision, elles peuvent se casser et s’interconnecter, lançant des particules comme une fronde à double face.
Mais cette idée était plus proche d’une peinture abstraite que d’un modèle mathématique complet. Les scientifiques voulaient comprendre les détails du fonctionnement du processus – les événements qui influencent le claquement, la raison pour laquelle tant d’énergie est libérée. Mais l’interaction désordonnée des gaz chauds, des particules chargées et des champs magnétiques est difficile à apprivoiser mathématiquement.
La première théorie quantitative, décrite en 1957 par les astrophysiciens Peter Sweet et Eugene Parker, traite les plasmas comme des fluides magnétisés. Cela suggère que les collisions de particules chargées de manière opposée dessinent des lignes de champ magnétique et déclenchent une chaîne incontrôlable d’événements de reconnexion. Leur théorie prédit également que ce processus se produit à un rythme particulier. Les taux de reconnexion observés dans des plasmas forgés en laboratoire relativement faibles correspondent à leur prédiction, tout comme les taux de jets plus petits dans les couches inférieures de l’atmosphère solaire.
Mais les éruptions solaires libèrent de l’énergie beaucoup plus rapidement que la théorie de Sweet et Parker ne peut en tenir compte. Selon leurs calculs, ces fusées éclairantes devraient se déployer sur des mois plutôt que sur des minutes.
Plus récemment, les observations des satellites magnétosphériques de la NASA ont identifié cette reconnexion plus rapide se produisant encore plus près de chez nous, dans le champ magnétique de la Terre. Ces observations, ainsi que des preuves issues de décennies de simulations informatiques, confirment ce taux de reconnexion « rapide » : dans les plasmas plus énergétiques, la reconnexion se produit à environ 10 % de la vitesse à laquelle les champs magnétiques se propagent, des ordres de grandeur plus rapides que ne le prédit la théorie de Sweet et Parker. .
