Une nouvelle théorie explique le mystère derrière le magnétisme rapide

HANOVRE, NH – 28 avril 2022 – Lorsque des lignes de champ magnétique de directions opposées fusionnent, elles créent des explosions qui peuvent libérer d’énormes quantités d’énergie. Sur le soleil, la fusion de lignes de champ opposées provoque des éruptions solaires et des éjections de masse coronale, des explosions d’énergie géantes qui peuvent se rendre sur Terre en une journée.

Alors que la mécanique générale de la reconnexion magnétique est connue, les chercheurs ont lutté pendant plus d’un demi-siècle pour expliquer la physique précise derrière la libération rapide d’énergie qui se produit.

Une nouvelle étude de Dartmouth publiée dans Physique des communications fournit la première description théorique de la façon dont un phénomène connu sous le nom d'”effet Hall” détermine l’efficacité de la reconnexion magnétique.

“La vitesse à laquelle les lignes de champ magnétique se reconnectent est d’une extrême importance pour les processus dans l’espace qui peuvent avoir un impact sur la Terre”, a déclaré Yi-Hsin Liu, professeur adjoint de physique et d’astronomie à Dartmouth. “Après des décennies d’efforts, nous avons maintenant une théorie complète pour résoudre ce problème de longue date.”

La reconnexion magnétique existe dans la nature dans les plasmas, le quatrième état de la matière qui remplit la majeure partie de l’univers visible. La reconnexion a lieu lorsque des lignes de champ magnétique de directions opposées sont attirées les unes vers les autres, se séparent, se rejoignent, puis se détachent violemment.

Dans le cas de la reconnexion magnétique, la rupture des lignes magnétiques expulse le plasma magnétisé à des vitesses élevées. L’énergie est créée et déplacée vers les plasmas par une force de tension comme celle qui éjecte les objets des lance-pierres.

L’étude de Dartmouth se concentre sur le problème du taux de reconnexion, l’élément clé de la reconnexion magnétique qui décrit la vitesse d’action à laquelle les lignes magnétiques convergent et se séparent.

Des recherches antérieures ont montré que l’effet Hall – l’interaction entre les courants électriques et les champs magnétiques qui les entourent – crée les conditions d’une reconnexion magnétique rapide. Mais jusqu’à présent, les chercheurs n’étaient pas en mesure d’expliquer en détail comment exactement l’effet Hall améliore le taux de reconnexion.

L’étude théorique de Dartmouth démontre que l’effet Hall supprime la conversion de l’énergie du champ magnétique en particules de plasma. Cela limite la quantité de pression au point où elles fusionnent, forçant les lignes de champ magnétique à se courber et à se pincer, ce qui entraîne une géométrie de sortie ouverte nécessaire pour accélérer le processus de reconnexion.

“Cette théorie aborde l’importante énigme de savoir pourquoi et comment l’effet Hall rend la reconnexion si rapide”, a déclaré Liu, qui est chef adjoint de l’équipe de théorie et de modélisation de la mission magnétosphérique multi-échelle (MMS) de la NASA. “Grâce à cette recherche, nous avons également expliqué le processus de libération d’énergie magnétique explosive qui est fondamental et omniprésent dans les plasmas naturels.”

La nouvelle théorie pourrait approfondir la compréhension technique des éruptions solaires et des événements d’éjection de masse coronale qui provoquent la météo spatiale et des perturbations électriques sur Terre. En plus d’utiliser le taux de reconnexion pour estimer les échelles de temps des éruptions solaires, il peut également être utilisé pour déterminer l’intensité des sous-orages géomagnétiques et l’interaction entre le vent solaire et la magnétosphère terrestre.

L’équipe de recherche, financée par la National Science Foundation (NSF) et la NASA, travaille aux côtés de la mission magnétosphérique multi-échelles de la NASA pour analyser la reconnexion magnétique dans la nature. Les données de quatre satellites volant en formation serrée autour de la magnétosphère terrestre dans le cadre de la mission de la NASA seront utilisées pour valider la découverte théorique de Dartmouth.

“Ce travail démontre que les connaissances théoriques fondamentales renforcées par les capacités de modélisation peuvent faire progresser la découverte scientifique”, a déclaré Vyacheslav Lukin, directeur du programme de physique des plasmas à la NSF. “Les implications technologiques et sociétales de ces résultats sont intrigantes car elles peuvent aider à prévoir les impacts de la météo spatiale sur le réseau électrique, à développer de nouvelles sources d’énergie et à explorer de nouvelles technologies de propulsion spatiale.”

La nouvelle étude peut également éclairer les études de reconnexion dans les dispositifs de fusion à confinement magnétique et les plasmas astrophysiques à proximité des étoiles à neutrons et des trous noirs. Bien qu’il n’y ait pas d’utilisation appliquée actuelle, certains chercheurs ont envisagé la possibilité d’utiliser la reconnexion magnétique dans les propulseurs d’engins spatiaux.

Ce travail est financé par les divisions PHY et AGS de la NSF, la mission magnétosphérique multi-échelle (MMS) de la NASA et le département américain de l’énergie.

Les co-auteurs de l’étude sont Paul Cassak, West Virginia University; Xiaocan Li, Dartmouth; Michael Hesse, Centre de recherche Ames de la NASA ; Shan-Chang Lin, Dartmouth; et Kevin Genestreti, Institut de recherche du sud-ouest.

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À propos de Dartmouth

Fondée en 1769, Dartmouth est membre de l’Ivy League et se classe régulièrement parmi les plus grandes institutions académiques du monde. Dartmouth s’est forgé une identité singulière pour combiner son profond engagement envers les arts libéraux de premier cycle et l’enseignement supérieur exceptionnels avec une recherche et des bourses d’études distinguées dans les arts et les sciences et ses quatre principales écoles supérieures – la Geisel School of Medicine, la Guarini School of Graduate and Advanced Studies , Thayer School of Engineering et la Tuck School of Business