La recherche révèle comment le plasma tourbillonnant autour des trous noirs peut produire de la chaleur et de la lumière

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Des chercheurs du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du département américain de l’Énergie (DOE) ont découvert un processus dans les masses tourbillonnantes de plasma entourant les trous noirs et les étoiles à neutrons qui peut provoquer des émissions de lumière et de chaleur auparavant inexpliquées. Le processus, connu sous le nom de reconnexion magnétique, largue également d’énormes panaches de plasma de plusieurs milliards de kilomètres de long. Ces découvertes peuvent accroître la compréhension de base des processus astrophysiques fondamentaux dans l’univers.


Représentation de la recherche de fusion sur un tokamak en forme de beignet amélioré par l’intelligence artificielle. © Princeton Plasma Physics Laboratory

Le plasma, connu comme le quatrième état de la matière, comprend des électrons flottants et des noyaux atomiques, ou ions, et constitue 99 % de l’univers visible. En plus d’étudier les propriétés astrophysiques du plasma, les scientifiques explorent comment le confiner dans des dispositifs en forme de beignet appelés tokamaks pour exploiter les réactions de fusion qui produisent la vaste énergie du soleil et des étoiles. La réplication de la fusion sur Terre pourrait fournir une réserve d’énergie pratiquement inépuisable pour produire de l’électricité.

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La reconnexion se produit lorsque les lignes de champ magnétique se séparent et se rattachent, libérant de l’énergie. Le processus intéresse les scientifiques car il semble se produire dans tout l’univers, des masses de plasma couvrant des années-lumière aux expériences sur table dans les laboratoires. Les chercheurs ont utilisé un nouveau modèle ainsi que des données précédemment recueillies pour découvrir qu’un mouvement dans le plasma connu sous le nom d’instabilité magnéto-rotationnelle (MRI) force les champs magnétiques ensemble. La reconnexion résultante au sein des disques d’accrétion libère la chaleur et la lumière observées.

“Ces processus de reconnexion des disques d’accrétion sont quelque chose de nouveau dans le monde de la physique des plasmas”, a déclaré Fatima Ebrahimi, physicienne du PPPL, co-auteur d’un article rapportant les résultats dans The Astrophysical Journal Letters. «Les données numériques sont restées là depuis longtemps et nous leur avons finalement donné un sens!». Les nouvelles simulations informatiques ont montré le plasma plus en détail qu’auparavant. D’autres modèles ne simulent que de petites portions du plasma appelées boîtes de cisaillement et supposent que les résultats s’appliquent au reste du plasma. «Les boîtes de cisaillement fournissent des conseils, mais elles ne constituent pas toute l’histoire», a souligné Ebrahimi. De telles boîtes ne montrent pas tout le comportement du plasma lors de la reconnexion. La simulation plus fidèle utilisée dans cette recherche, en revanche, a révélé davantage d’étapes intermédiaires.

L’auteur principal de l’article était Jarrett Rosenberg, senior à l’Institut polytechnique Rensselaer (RPI) spécialisé en physique qui, au printemps 2021, a participé au stage de laboratoire pour étudiants de premier cycle (SULI) du DOE au PPPL. Pour Rosenberg, les expériences étaient une sorte de creuset de recherche. “C’était un terrain très nouveau pour moi”, a déclaré Rosenberg. “Je n’avais pas étudié la physique des plasmas à l’école et je n’avais jamais écrit de document de recherche. Mais j’étais ravi de plonger mon orteil dans ce monde”.

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À l’avenir, Ebrahimi prévoit d’explorer comment le MRI affecte la turbulence du disque d’accrétion, les perturbations dans le plasma qui peuvent affecter la propagation de la chaleur, de la lumière et du mouvement dans tout le disque. “Nous espérons exécuter des simulations plus importantes et mieux comprendre ce qui se passe exactement à chaque étape”, a déclaré Ebrahimi. “De cette façon, vous apprenez une nouvelle physique, et quand des choses plus compliquées se produisent plus tard, vous savez pourquoi!”.

Voir la publication

Jarrett Rosenberg and Fatima Ebrahimi (2021), “Onset of Plasmoid Reconnection during Magnetorotational Instability”, The Astrophysical Journal Letters, Volume 920, Number 2.

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