Les recherches menées depuis deux décennies par le professeur Paul Bellan de Caltech sur les jets de plasma révèlent des comportements inattendus dans les plasmas « froids ». Initialement théorisant un mécanisme d’évitement des collisions pour l’accélération des électrons, Bellan a ensuite réfuté cette hypothèse grâce à des simulations, découvrant que certains électrons, en perdant rarement de l’énergie dans les passages proches des ions, accélèrent continuellement et produisent des rayons X. Cette découverte, importante pour la compréhension des éruptions solaires et des expériences de fusion, remet en question les théories conventionnelles sur les plasmas. Crédit : Issues.fr.com
Caltech plasma les expériences sur les jets menées par Paul Bellan révèlent de nouveaux comportements électroniques, contribuant ainsi à la compréhension des éruptions solaires et de l’énergie de fusion.
Depuis environ 20 ans, Paul Bellan, professeur de physique appliquée au Caltech, et son groupe créent des jets de plasma accélérés magnétiquement, un gaz électriquement conducteur composé d’ions et d’électrons, dans une chambre à vide suffisamment grande pour contenir une personne. (Les enseignes au néon et les éclairs sont des exemples quotidiens de plasma).
Dans cette chambre à vide, des volutes de gaz sont ionisées par plusieurs milliers de volts. Cent mille ampères traversent ensuite le plasma, produisant de puissants champs magnétiques qui transforment le plasma en un jet se déplaçant à environ 16 km par seconde. Des enregistrements à grande vitesse montrent que le jet passe par plusieurs étapes distinctes en quelques dizaines de microsecondes.
Bellan dit que le jet de plasma ressemble à un parapluie qui s’allonge. Une fois que la longueur atteint un ou deux pieds, le jet subit une instabilité qui le transforme en un tire-bouchon en expansion rapide. Cette expansion rapide déclenche une instabilité différente, plus rapide, qui crée des ondulations.
« Les ondulations étouffent le courant électrique de 100 kiloampères du jet, un peu comme si le fait de placer votre pouce sur un tuyau d’arrosage limitait le débit et créait un gradient de pression qui accélère l’eau », explique Bellan. « L’étouffement du courant du jet crée un champ électrique suffisamment puissant pour accélérer les électrons à haute énergie. »
Découvertes surprenantes sur le comportement du plasma
Ces électrons de haute énergie avaient déjà été identifiés lors de l’expérience sur les jets grâce aux rayons X qu’ils génèrent, et Bellan affirme que leur présence était une surprise. En effet, la compréhension conventionnelle dit que le jet de plasma était trop froid pour que les électrons soient accélérés jusqu’à atteindre une énergie élevée. Notez que « froid » est un terme relatif : bien que ce plasma ait une température d’environ 20 000 Kelvin (35 500 degrés Fahrenheit) – bien plus chaude que tout ce que les humains rencontrent normalement – elle est loin d’être proche de la température de la couronne solaire, qui dépasse un million de Kelvin (1,8 million de degrés F.)
« La question est : « Pourquoi voyons-nous des rayons X ? » », dit-il.
On pensait que les plasmas froids étaient incapables de générer des électrons de haute énergie car ils sont trop « collisionnels », ce qui signifie qu’un électron ne peut pas voyager très loin avant d’entrer en collision avec une autre particule. C’est comme un conducteur essayant de faire une course de vitesse dans les embouteillages sur autoroute. Le conducteur pouvait appuyer sur l’accélérateur mais ne parcourrait que quelques mètres avant de percuter une autre voiture. Dans le cas d’un plasma froid, un électron n’accélérerait qu’environ un micron avant d’entrer en collision et de ralentir.
La première tentative du groupe Bellan pour expliquer ce phénomène était un modèle suggérant qu’une fraction des électrons parvient à éviter d’entrer en collision avec d’autres particules au cours du premier micron de voyage. Selon la théorie, cela permettait aux électrons d’accélérer à une vitesse légèrement plus élevée, et une fois plus rapides, ils pourraient voyager un peu plus loin avant de rencontrer une autre particule avec laquelle ils pourraient entrer en collision. Une fraction de ces électrons désormais plus rapides éviterait à nouveau une collision pendant un certain temps, leur permettant d’atteindre une vitesse encore plus élevée, ce qui leur permettrait de voyager encore plus loin, créant ainsi une boucle de rétroaction positive qui permettrait à quelques électrons chanceux d’aller plus loin. et plus rapidement, atteignant des vitesses et des énergies élevées.
Mais bien que convaincante, la théorie était fausse, dit Bellan.
« On s’est rendu compte que cet argument avait un défaut », dit-il, « parce que les électrons n’entrent pas vraiment en collision dans le sens de heurter quelque chose ou de ne pas heurter quelque chose. En fait, ils dévient tous un peu tout le temps. Il n’existe donc pas d’électron qui entre en collision ou qui n’entre pas en collision. »
Nouvelles perspectives issues des simulations informatiques
Pourtant, les électrons de haute énergie faire apparaissent dans le plasma froid de l’expérience à jet. Pour découvrir pourquoi, Bellan a développé un code informatique qui calculait les actions de 5 000 électrons et 5 000 ions se déviant continuellement les uns des autres dans un champ électrique. Pour comprendre comment quelques électrons parvenaient à atteindre des énergies élevées, il a peaufiné les paramètres et observé comment le comportement des électrons changeait.
Lorsque les électrons accélèrent dans le champ électrique, ils passent à proximité des ions mais ne les touchent jamais. Parfois, un électron passe si près d’un ion qu’il transfère de l’énergie à un électron attaché à l’ion et ralentit, l’ion désormais « excité » rayonnant de lumière visible. Parce que les électrons ne passent qu’occasionnellement si près, ils s’écartent généralement légèrement de l’ion sans l’exciter. Cette fuite d’énergie occasionnelle se produit dans la plupart des électrons, ce qui signifie qu’ils n’atteignent jamais de hautes énergies.
Lorsque Bellan a peaufiné sa simulation, quelques électrons de haute énergie capables de créer des rayons X sont apparus. « Les quelques chanceux qui ne s’approchent jamais suffisamment d’un ion pour l’exciter ne perdent jamais d’énergie », ajoute-t-il. « Ces électrons sont continuellement accélérés dans le champ électrique et atteignent finalement une énergie suffisante pour produire les rayons X. »
Bellan dit que si ce comportement se produit dans le jet de plasma de son laboratoire de Caltech, cela se produit probablement également lors d’éruptions solaires et de situations astrophysiques. Cela peut également expliquer pourquoi des rayons X de haute énergie inattendue sont parfois observés lors d’expériences sur l’énergie de fusion.
« Il y a longtemps que des gens voient des choses qu’ils pensaient être une fusion utile », dit-il. « Il s’est avéré qu’il s’agissait d’une fusion, mais cela n’a pas été vraiment utile. Il s’agissait de champs électriques transitoires intenses produits par des instabilités accélérant quelques particules à une énergie extrêmement élevée. Cela explique peut-être ce qui se passait. Ce n’est pas ce que veulent les gens, mais c’est probablement ce qui se passe.»
L’article décrivant le travail est paru dans le numéro du 20 octobre de Physique des Plasmas et a été présenté le 3 novembre lors de la 65e réunion annuelle de la Division de physique des plasmas de l’American Physical Society à Denver, Colorado.
Le financement de la recherche a été assuré par la National Science Foundation et le Bureau de la recherche scientifique de l’Air Force.
