Un minuscule soleil dans un bocal fait la lumière sur les éruptions solaires

Skibba de Ram

Seth Putterman a commencé par étudier le comportement du plasma pour des raisons de sécurité nationale. Des missiles hypersoniques extrêmement rapides chauffent et ionisent l'air ambiant et forment un nuage de particules chargées appelé plasma, qui absorbe les ondes radio et rend difficile la communication des opérateurs au sol avec les missiles - un problème que Putterman tentait de résoudre. Puis il lui vint à l'esprit : la même physique des plasmas s'applique à notre soleil.

Le scientifique de l'UCLA et ses collègues ont maintenant créé ce que Putterman appelle "notre soleil dans un bocal", une boule de verre de 1,2 pouce remplie de plasma, qu'ils ont utilisée pour modéliser des processus comme ceux qui créent des éruptions solaires. Ce sont des explosions d'énergie explosives parfois accompagnées de la libération d'une goutte de plasma à grande vitesse qui pourrait faire des ravages avec les satellites en orbite et les réseaux électriques au sol. "Les étapes que nous prenons influenceront la modélisation afin qu'il puisse y avoir un avertissement et une détermination des précurseurs de la météo spatiale", explique Putterman, l'auteur principal d'une étude dans Physical Review Letters décrivant leurs expériences.

Le soleil est essentiellement un enfer tourbillonnant de plasma composé de particules de gaz en rotation chargées électriquement, principalement des électrons et des atomes d'hydrogène dépouillés de leurs électrons. (Le plasma stellaire est un peu différent du plasma à faible densité utilisé dans les réacteurs de fusion tokamak.) Les chercheurs ont longtemps cherché à mieux comprendre les éruptions solaires, en particulier au cas où un morceau de plasma particulièrement gros serait lancé vers la Terre.

Les expériences de l'équipe ont commencé par mettre du gaz sulfureux partiellement ionisé à l'intérieur d'une ampoule en verre, puis en la bombardant avec des micro-ondes à basse fréquence - similaires à celles utilisées dans un four à micro-ondes - pour exciter le gaz, le chauffant jusqu'à environ 5 000 degrés Fahrenheit. Ils ont découvert qu'une pulsation à 30 kHz des micro-ondes crée une onde sonore qui exerce une pression qui provoque la contraction du gaz chaud. Cette pression d'onde sonore crée une sorte de "gravité acoustique" et fait bouger le fluide comme s'il se trouvait dans le champ de gravité sphérique du soleil. (Le champ de gravité de l'expérience est environ 1 000 fois plus fort que celui de la Terre.) Cela génère une convection de plasma, un processus dans lequel un fluide chaud monte et un fluide plus froid et plus dense descend au cœur de la boule de verre. De cette façon, l'équipe est devenue la première personne sur Terre à créer quelque chose ressemblant à la convection sphérique que l'on trouve normalement à l'intérieur d'une étoile.

Leur projet a d'abord été financé par la DARPA, la branche de recherche avancée du Pentagone, en raison de ses applications pour les véhicules hypersoniques. Ensuite, il a obtenu le soutien du Laboratoire de recherche de l'armée de l'air, car la météo spatiale peut interférer avec les avions et les engins spatiaux. Mais les astronomes pensent que cela peut aussi nous dire quelque chose de fondamental sur le comportement du soleil. "Je pense que la véritable signification est de commencer à simuler la convection solaire en laboratoire et donc d'avoir un aperçu du mystérieux cycle solaire du soleil", déclare Tom Berger, directeur exécutif du Space Weather Technology, Research, and Education Center de l'Université. du Colorado à Boulder, qui n'a pas participé à l'étude. Berger fait référence à un cycle d'environ 11 ans au cours duquel la zone de convection interne du soleil devient en quelque sorte plus active, conduisant la couche externe, ou couronne, à générer des éruptions et des explosions de plasma plus fréquentes et plus intenses, appelées éjections de masse coronale. Il est difficile de sonder les régions intérieures du soleil, dit Berger, bien que la NASA tente de le faire avec un vaisseau spatial appelé Solar Dynamics Observatory, qui utilise des ondes sonores pour cartographier la surface du soleil et faire des inférences sur le plasma en dessous.

D'autres dans le domaine louent également les recherches de Putterman et de ses collègues, mais notent qu'elles ont des limites. "C'est un développement passionnant et innovant. C'est intelligemment fait. Cela a toujours été un défi de simuler la dynamique interne d'une étoile dans un laboratoire", explique Mark Miesch, chercheur au NOAA Space Weather Prediction Center et à l'Université du Colorado.

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Les scientifiques ont longtemps lutté pour produire une convection de plasma dans une sphère. Dans des expériences antérieures, la gravité terrestre influencerait le mouvement du plasma et perturberait les tentatives. Cela a incité un précurseur à cette recherche, Geoflow, un projet de l'Agence spatiale européenne qui s'est installé dans la Station spatiale internationale en 2008. Il a créé un modèle expérimental de la façon dont les fluides s'écoulent à l'intérieur d'une planète, ce qui n'est pas si différent de la convection à l'intérieur des étoiles. Putterman et son équipe ont montré qu'il était possible de créer une convection sphérique sans entrer dans la microgravité de l'espace.

Le soleil dans un bocal a cependant un défaut important : il manque de champs magnétiques, un élément crucial des éruptions et autres tempêtes solaires, dit Miesch. L'énergie des tempêtes solaires provient du champ magnétique du soleil. Lorsque le cycle solaire atteint son maximum, dans quelques années, les champs magnétiques dans les régions intérieures du soleil s'emmêlent, créant des tubes de champs magnétiques concentrés qui montent à la surface, produisant des taches solaires. Et c'est de ces régions que proviennent les éruptions et les éjections de masse coronale. Pour Putterman et ses collègues, tenter d'incorporer des champs magnétiques dans leur étoile modèle fera partie de la prochaine phase de leurs recherches.

En attendant, Putterman dit que lui et ses collègues continuent de trouver de nouvelles applications pour leurs expériences. Cela inclut l'étude des étoiles céphéides, qui s'illuminent et s'assombrissent périodiquement et dont les pulsations régulières agissent comme des jalons cosmiques, permettant aux scientifiques de tracer les distances avec d'autres objets astronomiques. "Il y a plusieurs directions à prendre", dit Putterman. "Nous pensons que nous avons fait une percée dans la science fondamentale, et quand vous faites cela, cela a de nombreux tentacules, et c'est ce que nous aimons explorer."