Les éruptions solaires et les éjections de masse coronale sur le soleil sont causées par la “reconnexion magnétique”, c’est-à-dire lorsque des lignes de champ magnétique de directions opposées fusionnent, se rejoignent et se séparent, créant des explosions qui libèrent des quantités massives d’énergie. Crédit : NASA Conceptual Image Laboratory
En quelques minutes, une éruption solaire peut libérer suffisamment d’énergie pour alimenter le monde entier pendant 20 000 ans. Ces éruptions solaires sont déclenchées par un processus explosif connu sous le nom de reconnexion magnétique, et les scientifiques ont passé le dernier demi-siècle à essayer de comprendre comment il fonctionne.
Il ne s’agit pas non plus d’une simple curiosité scientifique : Une compréhension plus complète de la reconnexion magnétique pourrait permettre de mieux comprendre la fusion nucléaire et de mieux prévoir les tempêtes de particules provenant du Soleil et pouvant affecter les technologies en orbite autour de la Terre.
Désormais, les scientifiques avec ;” data-gt-translate-attributes=”[{” attribute=””>NASA’s Magnetospheric Multiscale Mission, or MMS, think they’ve figured it out. The researchers have developed a theory that explains how the most explosive type of magnetic reconnection – called fast reconnection – occurs and why it happens at a consistent speed. The new theory uses a common magnetic effect that’s used in household devices, such as sensors that time vehicle anti-lock braking systems and know when a cell phone flip cover is closed.
“We finally understand what makes this type of magnetic reconnection so fast,” said lead author on the new study Yi-Hsin Liu, a physics professor at Dartmouth College in New Hampshire and the deputy-lead of MMS’ theory and modeling team. “We now have a theory to explain it fully.”
Magnetic reconnection is a process that occurs in plasma, sometimes called the fourth state of matter. Plasma forms when a gas has been energized enough to break apart its atoms, leaving a motley of negatively charged electrons and positively charged ions existing side-by-side. This energetic, fluid-like material is exquisitely sensitive to magnetic fields.
From flares on the Sun, to near-Earth space, to black holes, plasmas throughout the universe undergo magnetic reconnection, which rapidly converts magnetic energy into heat and acceleration. While there are several types of magnetic reconnection, one particularly puzzling variant is known as fast reconnection, which occurs at a predictable rate.
“We have known for a while that fast reconnection happens at a certain rate that seems to be pretty constant,” said Barbara Giles, project scientist for MMS and research scientist at NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. “But what really drives that rate has been a mystery, until now.”
Cette visualisation montre l’effet Hall, qui se produit lorsque le mouvement des ions les plus lourds (bleu) se découple des électrons les plus légers (rouge) lorsqu’ils entrent dans la région où les courants électriques sont forts (région dorée). Crédit : Tom Bridgman/NASA’s Scientific Visualization Studio
La nouvelle recherche, publiée dans un article de la revue Nature’s Communications Physics et financée en partie par la National Science Foundation, explique comment la reconnexion rapide se produit spécifiquement dans les plasmas sans collision – un type de plasma dont les particules sont suffisamment dispersées pour que les particules individuelles n’entrent pas en collision les unes avec les autres. Là où la reconnexion se produit dans l’espace, la plupart des plasmas sont dans cet état sans collision, y compris le plasma des éruptions solaires et l’espace autour de la Terre.
La nouvelle théorie montre comment et pourquoi la reconnexion rapide est probablement accélérée par l’effet Hall, qui décrit l’interaction entre les champs magnétiques et les courants électriques. L’effet Hall est un phénomène magnétique commun qui est utilisé dans la technologie de tous les jours, comme les capteurs de vitesse des roues des véhicules et les imprimantes 3D, où les capteurs mesurent la vitesse, la proximité, le positionnement ou les courants électriques.
Lors d’une reconnexion magnétique rapide, les particules chargées d’un plasma – à savoir les ions et les électrons – cessent de se déplacer en tant que groupe. Lorsque les ions et les électrons commencent à se déplacer séparément, ils donnent lieu à l’effet Hall, créant un vide énergétique instable où la reconnexion se produit. La pression exercée par les champs magnétiques autour du vide énergétique provoque l’implosion de ce dernier, qui libère rapidement d’immenses quantités d’énergie à un rythme prévisible.
La nouvelle théorie sera testée dans les années à venir avec le MMS, qui utilise quatre vaisseaux spatiaux volant autour de la Terre en formation pyramidale pour étudier la reconnexion magnétique dans les plasmas sans collision. Dans ce laboratoire spatial unique, MMS peut étudier la reconnexion magnétique à une résolution supérieure à celle qui serait possible sur Terre.
“En fin de compte, si nous parvenons à comprendre le fonctionnement de la reconnexion magnétique, nous pourrons mieux prévoir les événements qui peuvent avoir un impact sur la Terre, comme les tempêtes géomagnétiques et les éruptions solaires”, a déclaré M. Giles. “Et si nous pouvons comprendre comment la reconnexion est initiée, cela aidera également la recherche énergétique car les chercheurs pourront mieux contrôler les champs magnétiques dans les dispositifs de fusion.”
Pour en savoir plus sur cette recherche, voir Explosions magnétiques rapides dans l’espace : Explication du mystère de la reconnexion magnétique rapide..
Référence : “First-principles theory of the rate of magnetic reconnection in magnetospheric and solar plasmas” par Yi-Hsin Liu, Paul Cassak, Xiaocan Li, Michael Hesse, Shan-Chang Lin et Kevin Genestreti, 28 avril 2022, Physique des communications.
DOI: 10.1038/s42005-022-00854-x
