L'enquête sur les structures de la corona solaire a conduit Paul Bellan, professeur Caltech en physique appliquée, et son ancien étudiant diplômé Yang Zhang (Ph.D. '24) pour découvrir un nouvel état d'équilibre du champ magnétique et son plasma associé. La couronne solaire, la partie la plus externe de l'atmosphère du soleil, est beaucoup moins dense que la surface du soleil mais est un million de fois plus chaud. La couronne est composée de champs magnétiques forts confinant le plasma, une soupe gazeuse de particules chargées (électrons et ions).
Le nouvel équilibre, appelé double hélice, s'applique non seulement à la couronne solaire mais aussi à des configurations astrophysiques beaucoup plus grandes telles que la nébuleuse à double hélice située près du centre de la galaxie de la voie lactée.
L'étude est publiée dans la revue Lettres d'examen physique.
Les structures de corona solaire telles que les fusées éclairantes ont souvent la forme de cordes de flux magnétiques: tubes torsadés des champs magnétiques contenant du plasma. Une telle corde peut être visualisée comme un tuyau de jardin rempli de plasma avec une bande enroulée autour d'un motif hélicoïdal. Un courant électrique coule sur la longueur du tuyau, et la bande hélicoïdale correspond au champ magnétique torsadé. Parce qu'il est chargé, le plasma conduit des courants électriques et est attaché, ou «gelé», dans des champs magnétiques.
Des cordes de flux magnétiques se produisent dans une variété de situations allant de l'échelle humaine – parlez, une expérience de laboratoire – à l'énorme: des éruptions solaires qui font quelques centaines de milliers de kilomètres de long. Les structures astrophysiques avec des cordes de flux magnétique peuvent également s'étendre sur des centaines, voire des milliers d'années-lumière.
Dans une grande chambre à vide de laboratoire, Bellan et Zhang (maintenant un boursier postdoctoral de Eddy de Jack NASA à Princeton) ont produit des répliques de poussées solaires mesurant entre 10 et 50 centimètres de long.
« Nous avons deux électrodes à l'intérieur de la chambre à vide, qui a des bobines produisant un champ magnétique couvrant les électrodes. Ensuite, nous appliquons une haute tension à travers les électrodes pour ioniser le gaz initialement neutre pour former un plasma », explique Yang. « La configuration du plasma magnétisé résultant forme automatiquement une structure tressée. »
Cette structure tressée se compose de deux cordes de flux qui s'enroulent les unes avec les autres pour former une structure à double hélice. Dans les expériences, cette double hélice a été observée dans un équilibre stable – en d'autres termes, il maintient sa structure sans tendre à se tordre plus serré ou détaché. Dans un nouvel article, Zhang et Bellan démontrent que l'équilibre stable de ces cordes de flux à double hélice peut être compris, analysé et prédit avec précision en termes mathématiques.
Bien que les propriétés des cordes de flux unique soient bien connues, les cordes de flux tressées n'étaient pas bien comprises – en particulier les configurations dans lesquelles les courants électriques s'écoulent dans la même direction le long des deux brins tressés. Les scientifiques ont modélisé l'autre situation possible – où les courants coulent dans une direction dans une corde de flux et dans la direction opposée dans l'autre – mais ce scénario est considéré comme peu probable.
La configuration du même courant est particulièrement importante car elle serait susceptible de se promener et d'expansion entraînée par les forces du cerceau – des phénomènes observés à la fois dans les structures solaires tressées et dans les expériences de laboratoire. Une telle kinging et expansion ne devraient pas se produire lorsque le courant circule dans des directions opposées dans les brins tressés (un état « sans réseau »).
Auparavant, les scientifiques ont supposé que les cordes de flux tressées où les brins ont le courant qui coule dans la même direction fusionnerait toujours, car les courants parallèles s'attireraient magnétiquement. Cependant, en 2010, des chercheurs du Los Alamos National Laboratory ont constaté que de telles cordes de flux se rebondissaient à la place les uns des autres à mesure qu'ils se rapprochent.
« Il y avait clairement quelque chose de plus compliqué en cours lorsque les cordes de flux sont tressées, et maintenant nous avons montré ce que c'est », dit Bellan. « Si vous avez des courants électriques qui coulent le long de deux fils hélicoïdaux qui s'enroulent pour former une structure tressée, comme on le voit dans notre laboratoire, les composants des deux courants qui coulent sur la longueur des deux fils sont parallèles et attirent, mais les composants des deux courants qui coulent dans la direction d'emballage sont anti-parallèles et repoussent.
« Cette combinaison de forces attrayantes et répulsives signifie qu'il y aura un angle hélicoïdal critique auquel ces forces opposées équilibrent, produisant un équilibre. Si les cordes de flux hélicoïdal se tordent, il y aura trop de répulsion magnétique; si elles se tournent plus librement à son état d'énergie le plus bas.
La tâche suivante consistait à créer un modèle mathématique de ce comportement – quelque chose qui ne soit pas fait auparavant. En utilisant ce que Bellan décrit comme des «mathématiques de force brute», Zhang a créé un ensemble d'équations qui pourraient s'appliquer à plusieurs tubes de flux dans diverses configurations, y compris les cordes tressées, et ont montré qu'il y a en effet un état dans lequel les forces attractives et répulsives se équilibrent, créant un équilibre.
« Et en bonus inattendu, Yang peut calculer les champs magnétiques à l'intérieur et à l'extérieur des cordes de flux, et le courant et la pression à l'intérieur », dit Bellan, « nous donnant un tableau complet du comportement de ces structures tressées. »
Zhang a testé son modèle mathématique contre la nébuleuse à double hélice, une formation de plasma astrophysique située à 25 000 années-lumière de la Terre qui couvre une bande d'espace de 70 années-lumière, pour voir si les équations pouvaient décrire un grand modèle ainsi que les structures que lui et Bellan ont créées en laboratoire.
« Ce qui était plutôt étonnant dans ce calcul, c'est que Yang n'avait pas vraiment besoin d'en savoir beaucoup sur la nébuleuse », explique Bellan. «Connaissant le diamètre des brins et la périodicité de la torsion, des nombres qui peuvent être observés astronomiques, Yang a pu prédire l'angle de torsion qui a donné une structure d'équilibre, et qui était compatible avec les observations de cette nébuleuse.
« L'un des aspects les plus excitants de cette recherche est que la magnétohydrodynamique, la théorie des plasmas magnétisées, se révèle être fantastiquement évolutive. Quand j'ai commencé à examiner cela, je pensais que les phénomènes des structures magnétiques à différentes échelles étaient qualitativement similaires, mais parce que leur taille était si différente, ils ne pouvaient pas être décrits par les mêmes équations. Les observations astrophysiques sont régies par les mêmes équations. «
