Le plasma est un état de matière qui émerge lorsqu'un gaz est chauffé à des températures suffisamment élevées, ce qui a incité certains électrons à devenir exempts d'atomes. Cet état de matière a fait l'objet de nombreuses études astrophysiques, car les prédictions suggèrent qu'elle se trouve à proximité de divers objets cosmologiques, y compris les pulsars et les trous noirs.
Les résultats de la recherche antérieurs suggèrent que l'environnement autour de ces objets célestes est turbulent, ce qui signifie essentiellement que les champs magnétiques et les champs électriques à l'intérieur fluctuent chaotiquement à travers de nombreuses échelles. Ces fluctuations chaotiques influenceraient à leur tour les mouvements et l'accélération des particules.
Les chercheurs ont essayé de reproduire l'environnement turbulent associé à l'émergence du plasma dans l'espace en utilisant des simulations numériques. Cependant, ils étaient jusqu'à présent incapables de réaliser un état d'équilibre dans lequel les propriétés d'un système ne changent plus avec le temps, comme celle que l'on pourrait observer dans de vrais systèmes cosmiques.
Des chercheurs de Ku Leuven et du Royal Belgian Institute for Space Astronomy rapportent la toute première observation d'un véritable état d'équilibre dans un plasma turbulent simulé. Cette observation remarquable, décrite dans un article publié dans Lettres d'examen physiqueest le résultat de simulations de particules en cellule 3D, de simulations de calcul qui peuvent reproduire de manière réaliste les particules et les champs électromagnétiques.
« On pense, avec de solides preuves à l'appui, que la plupart des plasma dans l'espace sont turbulents », a déclaré Evgeny Gorbunov, premier auteur du journal, à Issues.fr.
« Une telle turbulence chauffe le plasma et accélère les particules individuelles à des énergies très élevées: en d'autres termes, il agit comme un accélérateur de particules cosmiques universels. Comprendre ce processus est crucial pour expliquer de nombreuses observations astrophysiques, telles que le rayonnement des disques d'accrétion, des spectres de rayons cosmiques et d'autres. »
Jusqu'à présent, l'étude des turbulences s'est principalement appuyée sur des simulations numériques, des méthodes informatiques qui reposent sur des modèles mathématiques pour reproduire les processus ou les systèmes physiques. Lors de l'exécution de ces simulations, cependant, la turbulence doit généralement être «agitée» via une injection constante d'énergie.
« Dans une boîte de simulation fermée, où la dissipation d'énergie ne peut pas être modélisée de manière auto-cohérente, cette approche a des lacunes majeures », a déclaré Gorbunov.
« Un véritable état d'équilibre, dans lequel la dissipation équilibre l'injection d'énergie, n'a jamais été observée. L'énergie injectée finit généralement par accélérer constamment les particules, chauffant ainsi le plasma sans fin. Dans ce travail, nous réalisons pour la première fois un véritable état d'équilibre dans les simulations turbulentes en permettant à de telles particules énergétiques d'échapper au domaine de la simulation. »
Dans le cadre de leur étude, Gorbunov et ses collègues ont dirigé des simulations de particules en cellule 3D qui signifiaient reproduire l'accélération des particules dans la turbulence. Cette méthode de simulation permet aux particules de se déplacer librement à l'intérieur de la « boîte » de simulation, « interagissant via des champs électromagnétiques calculés à des points fixes sur une grille ordinaire.
« Les simulations de turbulence utilisent généralement des limites périodiques; par exemple, si quelque chose traverse le haut de la boîte, il réapparaît en bas », a expliqué Gorbunov.
« Nous avons introduit un élément supplémentaire à cette configuration standard. Si une particule va au-delà d'une distance prédéfinie, nous considérons qu'il a échappé à l'accélérateur cosmique. Il est ensuite remplacé instantanément par une particule` `fraîche '', sa réinitialisation d'énergie et échantillonnée à partir d'une population thermique. »
Essentiellement, les chercheurs ont couplé la turbulence dans leur simulation à un réservoir de particules thermiques. Les particules pénètrent dans l'accélérateur simulé, gagnent de l'énergie pendant qu'elles sont à l'intérieur et finissent par s'échapper. Ce processus reflète la prévision des théories dans les environnements astrophysiques.
« Nous avons observé que, quelle que soit l'énergie électromagnétique initiale par particule, le système évolue systématiquement en un état où les pressions magnétiques et cinétiques sont équilibrées », a déclaré Gorbunov.
« En conséquence, l'accélération des particules devient limitée, un effet qui n'a pas été observé auparavant. Nous avons également mesuré comment le temps d'échappement des particules dépend de leur énergie et avons constaté qu'il suit universellement une loi de puissance inverse très faible, avec des implications importantes pour expliquer les observations des rayons cosmiques. »
Cette étude récente et l'observation par l'équipe de l'accélération des particules en régime permanent dans le plasma turbulent pourraient ouvrir des possibilités passionnantes pour la modélisation de divers objets cosmologiques et phénomènes physiques. À l'avenir, par exemple, les techniques de simulation qu'ils ont utilisées pourraient être appliquées à l'étude des rayons cosmiques à haute énergie générés dans des environnements astrophysiques turbulents, conduisant potentiellement à de nouvelles informations précieuses.
« La turbulence dans l'univers se produit dans de nombreux régimes », a ajouté Gorbunov. « Par exemple, si les particules rayonnent (comme elles le font généralement dans les environnements astrophysiques), comment cela affecte-t-il l'état d'équilibre et les spectres de particules? Que se passe-t-il si le plasma contient plusieurs espèces, telles que les protons, les électrons et les positrons, comme dans les coronaes à trous noirs?
« Avec la capacité d'atteindre un véritable état d'équilibre dans les simulations, de nombreuses questions de ce type peuvent désormais être traitées. Cette méthode a le potentiel de transformer la façon dont la turbulence est étudiée. »
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Sadie Harley, et vérifié et révisé par Robert Egan – cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour garder le journalisme scientifique indépendant en vie. Si ce rapport vous importe, veuillez considérer un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte comme un remerciement.
