Braided magnetic flux ropes found at both human and light year scales
Cordes de flux magnétique tressées découvertes à l'échelle humaine et à l'échelle de l'année-lumière
par le California Institute of Technology
Édité par Gaby Clark, relu par Robert Egan
Notes de la rédaction
Quatre structures tressées. (a) jet astrophysique M-87, long de 3 000 années-lumière ; (b) nébuleuse de la Double Hélice, longue de 70 années-lumière ; (c) protubérance solaire, longue de 3 000 kilomètres ; (d) boucle solaire fabriquée au laboratoire Bellan de Caltech, longue de 3 centimètres. Crédits : (a) Passeto et al., Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF ; (b) NASA/JPL-Caltech/M. Morris (UCLA) ; (c) Archives de l'Observatoire de haute altitude ; (d) Yang Zhang, Laboratoire de plasma Bellan de Caltech
L'étude des structures de la couronne solaire a conduit Paul Bellan, professeur de physique appliquée à Caltech, et son ancien étudiant Yang Zhang (doctorat 2024) à découvrir un nouvel état d'équilibre du champ magnétique et du plasma associé. La couronne solaire, la partie la plus externe de l'atmosphère solaire, est beaucoup moins dense que la surface du Soleil, mais y est un million de fois plus chaude. Elle est composée de champs magnétiques intenses qui confinent le plasma, une soupe gazeuse de particules chargées (électrons et ions).
Ce nouvel équilibre, appelé double hélice, s'applique non seulement à la couronne solaire, mais aussi à des configurations astrophysiques beaucoup plus vastes, comme la nébuleuse de la Double Hélice, située près du centre de la Voie Lactée.
L'étude est publiée dans la revue Physical Review Letters.
Les structures de la couronne solaire, telles que les éruptions, se présentent souvent sous la forme de cordes de flux magnétique : des tubes torsadés de plasma contenant des champs magnétiques. Une telle corde peut être visualisée comme un tuyau d'arrosage rempli de plasma, entouré d'une bande hélicoïdale. Un courant électrique circule le long du tuyau, et la bande hélicoïdale correspond au champ magnétique torsadé. Chargé, le plasma conduit les courants électriques et se fixe, ou « fige », dans les champs magnétiques.
Les cordes de flux magnétiques apparaissent dans diverses situations, allant de l'échelle humaine – par exemple, une expérience en laboratoire – à des situations absolument gigantesques : des éruptions solaires de plusieurs centaines de milliers de kilomètres de long. Les structures astrophysiques dotées de cordes de flux magnétiques peuvent également s'étendre sur des centaines, voire des milliers d'années-lumière.
Dans une grande chambre à vide de laboratoire, Bellan et Zhang (aujourd'hui boursier postdoctoral Jack Eddy de la NASA à Princeton) ont produit des répliques d'éruptions solaires mesurant entre 10 et 50 centimètres de long.
« Nous avons deux électrodes à l'intérieur de la chambre à vide, dont les bobines produisent un champ magnétique qui les traverse. Nous appliquons ensuite une haute tension aux électrodes pour ioniser un gaz initialement neutre et former un plasma », explique Yang. La configuration de plasma magnétisé résultante forme automatiquement une structure tressée.
Cette structure tressée est constituée de deux cordes de flux qui s'enroulent l'une autour de l'autre pour former une double hélice. Lors des expériences, cette double hélice s'est avérée en équilibre stable ; autrement dit, elle conserve sa structure sans avoir tendance à se tordre ni à se détendre. Dans un nouvel article, Zhang et Bellan démontrent que l'équilibre stable de ces cordes de flux en double hélice peut être compris, analysé et prédit avec précision en termes mathématiques.
ien que les propriétés des cordes à flux unique soient bien connues, les cordes à flux tressées étaient encore mal comprises, notamment celles où les courants électriques circulent dans le même sens le long des deux brins tressés. Les scientifiques ont modélisé l'autre situation possible, où les courants circulent dans un sens dans une corde et dans le sens inverse dans l'autre, mais ce scénario est considéré comme peu probable dans la nature.
La configuration à courant constant est particulièrement importante car elle serait sujette aux torsions et aux dilatations dues aux forces circonférentielles, phénomènes observés à la fois dans les structures solaires tressées et lors d'expériences en laboratoire. Ces torsions et dilatations ne devraient pas se produire lorsque le courant circule en sens inverse dans les brins tressés (état « sans courant net »).
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Auparavant, les scientifiques supposaient que les câbles de flux tressés, dont les brins sont parcourus par un courant circulant dans le même sens, fusionneraient toujours, car les courants parallèles s'attirent magnétiquement. Cependant, en 2010, des chercheurs du Laboratoire national de Los Alamos ont découvert que ces câbles de flux rebondissent les uns sur les autres lorsqu'ils se rapprochent.
« Il y avait clairement un phénomène plus complexe lorsque les câbles de flux étaient tressés, et nous avons maintenant démontré ce phénomène », explique Bellan. « Si des courants électriques circulent le long de deux fils hélicoïdaux qui s'enroulent l'un autour de l'autre pour former une structure tressée, comme observé dans notre laboratoire, les composantes des deux courants circulant sur la longueur des deux fils sont parallèles et s'attirent, mais celles des deux courants circulant dans le sens de l'enroulement sont antiparallèles et se repoussent.
« Cette combinaison de forces attractives et répulsives implique qu'il existe un angle hélicoïdal critique auquel ces forces opposées s'équilibrent, produisant ainsi un équilibre. » Si les cordes de flux hélicoïdales se tordent plus fort, il y aura trop de répulsion magnétique ; si elles se tordent plus lâchement, il y aura trop d'attraction magnétique. À l'angle critique de torsion, la structure hélicoïdale atteint son état d'énergie le plus bas, ou équilibre.
La tâche suivante consistait à créer un modèle mathématique de ce comportement, une première. En utilisant ce que Bellan appelle les « mathématiques de la force brute », Zhang a créé un ensemble d'équations applicables à plusieurs tubes de flux dans diverses configurations, y compris des cordes tressées, et a démontré qu'il existe bel et bien un état où les forces attractives et répulsives s'équilibrent, créant ainsi un équilibre.
« Et, bonus inattendu, Yang peut calculer les champs magnétiques à l'intérieur et à l'extérieur des cordes de flux, ainsi que le courant et la pression à l'intérieur », explique Bellan, « ce qui nous donne une image complète du comportement de ces structures tressées. »
Zhang a testé son modèle mathématique avec la nébuleuse de la Double Hélice, une formation de plasma astrophysique située à 25 000 années-lumière de la Terre et couvrant une bande de 70 années-lumière dans l'espace, afin de voir si les équations pouvaient décrire un modèle de grande taille aussi bien que les structures qu'il a créées avec Bellan dans le laboratoire.
« Ce qui est assez étonnant dans ce calcul, c'est que Yang n'avait pas vraiment besoin de connaître grand-chose de la nébuleuse », explique Bellan. « Connaissant simplement le diamètre des brins et la périodicité de la torsion, des valeurs observables en astronomie, Yang a pu prédire l'angle de torsion qui a donné une structure d'équilibre, ce qui était cohérent avec les observations de cette nébuleuse. »
« L'un des aspects les plus passionnants de cette recherche est que la magnétohydrodynamique, la théorie des plasmas magnétisés, s'avère incroyablement évolutive. Lorsque j'ai commencé à m'intéresser à ce sujet, je pensais que les phénomènes des structures magnétiques à différentes échelles étaient qualitativement similaires, mais que leurs tailles étant si différentes, ils ne pouvaient pas être décrits par les mêmes équations. Il s'avère que ce n'est pas le cas. Ce que nous observons dans les expériences en laboratoire et dans les observations solaires et astrophysiques est régi par
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RESUME
Cordes de flux magnétique tressées découvertes à l'échelle humaine et à l'échelle de l'année-lumière
L'étude des structures de la couronne solaire a conduit Paul Bellan, professeur de physique appliquée à Caltech, et son ancien étudiant diplômé Yang Zhang (doctorat 2024) à découvrir un nouvel état d'équilibre du champ magnétique et du plasma associé. La couronne solaire, la partie la plus externe de l'atmosphère solaire, est beaucoup moins dense que la surface du Soleil, mais y est un million de fois plus chaude. Elle est composée de champs magnétiques puissants qui confinent le plasma, une soupe gazeuse de particules chargées (électrons et ions).
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COMMENTAIRES
Joli travail interessant
... Il semble que notre connaissance de ces sortes d'' échappées magnetiques de la couronne '''
solaires n 'était pas encore aussi ''intimement'' analysées ...BRAVO !
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Pour mes élèves :
1/Les recherches en astrophysique solaire démontrent que la couronne n'est ni homogène ni statique. Elle est structurée par d'imposants arcs magnétiques, connus sous le nom de boucles coronales, qui s'élèvent et plongent dans la photosphère.
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2 /Je vais surement encore me répéter !!!
Quels sont les trois choses a savoir concernant la couronne solaire ?
La couronne solaire est la partie la plus externe de l'atmosphère solaire . Elle est généralement masquée par la lumière intense de la surface solaire. Il est donc difficile de l'observer sans instruments spéciaux. Cependant, elle peut être observée lors d'une éclipse solaire totale.
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More information: Yang Zhang et al, Magnetic Double Helix, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/sz9k-6l22
Journal information: Physical Review Letters
Provided by California Institute of Technol
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