Une plate-forme expérimentale associe un grand dispositif à plasma à des lasers et des dipôles magnétiques ; elle permet de mieux comprendre le bouclier de la Terre contre le vent solaire.
Une magnétosphère se forme autour de tout objet magnétisé, comme une planète, qui est immergé dans un flux de gaz ionisé, appelé plasma. Because Earth possesses an intrinsic magnetic field, the planet is surrounded by a large magnetosphere that extends out into space, blocks lethal cosmic rays and particles from the sun and stars, and allows life itself to exist.
In Physics of Plasmas, by AIP Publishing, scientists from Princeton, UCLA, and the Instituto Superior Técnico, Portugal, report a method to study smaller magnetospheres, sometimes just millimeters thick, in the laboratory.
These mini-magnetospheres have been observed around comets and near certain regions of the moon and have been suggested to propel spacecraft. They are good testbeds for studying larger planet-sized magnetospheres.
Image of the laser-driven plasma expanding into the dipole magnetic field. Magnetic field measurements showing the location of the magnetopause are overlaid. Credit: Derek Schaeffer
Previous laboratory experiments have been carried out utilizing plasma wind tunnels or high-energy lasers to create mini-magnetospheres. However, these earlier experiments were limited to 1D measurements of magnetic fields that do not capture the full 3D behavior scientists need to understand.
“To overcome these limitations, we have developed a new experimental platform to study mini-magnetospheres on the Large Plasma Device (LAPD) at UCLA,” said author Derek Schaeffer.
This platform combines the magnetic field of the LAPD with a fast laser-driven plasma and a current-driven dipole magnet.
The LAPD magnetic field provides a model of the solar system’s interplanetary magnetic field, while the laser-driven plasma models the solar wind and the dipole magnet provides a model for the Earth’s inherent magnetic field. Motorized probes allow system scans in three dimensions by combining data from tens of thousands of laser shots.
Simulation d’un plasma entraîné par laser se dilatant dans un champ magnétique dipôle. Crédit : Filipe Cruz
L’un des avantages de cette configuration est que le champ magnétique et les autres paramètres peuvent être soigneusement modifiés et contrôlés.
Si l’aimant dipôle est éteint, tous les signes d’une magnétosphère disparaissent. Lorsque le champ magnétique du dipôle est activé, une magnétopause peut être détectée, ce qui est une preuve essentielle de la formation d’une magnétosphère.
Une magnétopause est l’endroit de la magnétosphère où la pression du champ magnétique planétaire est exactement équilibrée par le vent solaire. Les expériences ont révélé qu’à mesure que le champ magnétique dipôle augmente, la magnétopause devient plus grande et plus forte.
L’effet sur la magnétopause a été prédit par des simulations informatiques, qui ont été réalisées par les chercheurs pour mieux comprendre et valider leurs résultats expérimentaux. Ces simulations guideront également les expériences futures, notamment les études utilisant une cathode récemment installée sur le LAPD.
“La nouvelle cathode permettra des écoulements de plasma plus rapides, ce qui nous permettra d’étudier les chocs d’arc observés autour de nombreuses planètes”, a déclaré Schaeffer.
D’autres expériences permettront d’étudier la reconnexion magnétique, un processus important de la magnétosphère terrestre dans lequel les champs magnétiques s’annihilent pour libérer une énorme énergie.
Référence : “Magnétosphères à échelle ionique pilotées par laser dans des plasmas de laboratoire. I. Experimental platform and first results” par Derek B. Schaeffer, Filipe D. Cruz, Robert S. Dorst, Fabio Cruz, Peter V. Heuer, Carmen G. Constantin, Patrick Pribyl, Christoph Niemann, Luis O. Silva et Amitava Bhattacharjee, 12 avril 2022, Physique des plasmas.
DOI : 10.1063/5.0084353
