Comment l’Univers a acquis ses champs magnétiques
Comment l’Univers a acquis ses champs magnétiques. En étudiant la dynamique de la turbulence du plasma, les chercheurs du MIT contribuent à résoudre l’un des plus grands mystères de l’origine des champs magnétiques cosmologiques.
Lorsque nous regardons dans l’espace, tous les objets astrophysiques observés sont enfermés dans des champs magnétiques. Cela vaut non seulement au voisinage des étoiles et des planètes. Mais également dans l’espace profond entre les galaxies et les amas galactiques.
Ces champs sont faibles. Généralement beaucoup plus faibles que ceux d’un aimant de réfrigérateur. Mais ils sont dynamiquement importants, car ils ont des effets étendus sur la dynamique de l’univers. Indépendamment, des décennies d’intérêt et de recherche extrêmes, l’origine de ces champs magnétiques cosmiques est l’un des mystères les plus profonds de la cosmologie.
La découverte
Dans des études antérieures, les chercheurs ont compris comment la turbulence, le mouvement de barattage commun aux fluides de toutes sortes, pouvaient amplifier les champs magnétiques préexistants grâce au processus supposé de dynamo. Cependant, cette découverte étonnante a poussé le mystère un peu plus loin. Si une dynamo turbulente ne pouvait qu’amplifier un champ existant, d’où vient le champ magnétique « germe » ?
Nous n’avons pas suggéré de réponse complète et cohérente sur l’origine des champs magnétiques astrophysiques tant que nous n’avons pas suggéré de commenter les champs germes sont apparus. De nouveaux travaux réalisés par l’étudiante diplômée du MIT Muni Zhou, son conseiller Nuno Loureiro. Professeur de sciences et d’ingénierie nucléaires au MIT, et ses collègues de l’Université de Princeton. Et, de l’Université du Colorado à Boulder répondent qui montre les processus fondamentaux qui produisent un champ à partir d’un état complètement non magnétisé au point où il est suffisamment solide pour que le mécanisme de la dynamo prenne le relais et amplifie le champ aux grandeurs que nous observons.
Comment l’Univers a acquis ses champs magnétiques: les champs magnétiques sont partout
Des champs magnétiques naturels sont observés partout dans l’univers. Ils ont été vus pour la première fois sur Terre il y a des milliers d’années, grâce à leur interaction avec des minéraux magnétisés tels que la magnétite, et utilisés pour la navigation bien avant que les personnes ne comprennent leur nature ou leur origine.
Le magnétisme sur le soleil a été découvert au début du XXᵉ siècle par son impact sur le spectre de la lumière émise par le soleil. que des télescopes plus puissants regardant profondément depuis dans l’espace ont découvert que les champs étaient omniprésents.
De plus, alors que les chercheurs avaient depuis longtemps découvert comment fabriquer et utiliser des aimants permanents et des électroaimants, qui avaient toutes sortes d’applications pratiques, les origines naturelles des champs magnétiques dans l’univers restaient un mystère. Des travaux récents ont amené une partie de la réponse, mais plusieurs aspects de cette question sont encore en discussion.
Amplification des champs magnétiques – l’effet dynamo
Comment l’Univers a acquis ses champs magnétiques ? Les scientifiques ont commencé à réfléchir à ce problème en réagissant comment les champs électriques et magnétiques se créant en laboratoire. Les champs électriques se développent lorsque des conducteurs, comme le fil de cuivre, se déplacent dans des champs magnétiques.
Ces champs, ou tensions, peuvent alors entraîner des courants électriques. C’est exactement ainsi que l’électricité que nous utilisons chaque jour se générait. Grâce à ce processus d’induction, de gros générateurs ou « dynamos » transformant l’énergie mécanique en énergie électromagnétique qui alimente nos maisons et nos bureaux. Un attribut crucial des dynamos est qu’elles ont besoin de champ magnétique pour fonctionner.
Cependant, dans l’univers, aucun fil apparent n’existe ou de grandes structures en acier, alors comment les champs émergent-ils ? Les progrès sur ce problème ont commencé depuis environ un siècle lorsque les chercheurs se sont penchés sur la source du champ magnétique terrestre.
À ce moment-là, des études de recherche sur la propagation des ondes sismiques ont révélé qu’une grande partie de la Terre, sous les couches superficielles plus froides du manteau, était liquide, dont le noyau était composé de nickel et de fer liquéfiés.
Une centrale électrique
Les scientifiques ont émis l’hypothèse que le mouvement convectif de ce liquide chaud et électriquement conducteur et la rotation de la Terre s’incorporent d’une manière ou d’une autre pour produire le champ terrestre, des modèles sont apparus qui ont démontré comment le mouvement convectif pouvait intensifier un champ existant. Il s’agit d’un exemple d’« auto-organisation ». Une caractéristique souvent révélée dans les systèmes dynamiques complexes. Où les structures à grande échelle se développent spontanément à partir de dynamique à petite échelle. Comme dans une centrale électrique, vous avez besoin d’un champ magnétique pour créer un champ magnétique.
Un processus identique est à l’œuvre dans tout l’univers. Cependant, dans les étoiles et les galaxies. Et, dans l’espace qui les sépare, le fluide électriquement conducteur n’est pas du métal en fusion, mais du plasma. Un état de la matière qui existe à des températures élevées où les électrons s’arrachent à leurs atomes. Sur Terre, les plasmas peuvent s’observer dans les éclairs ou les néons. L’effet dynamo peut amplifier un champ magnétique existant dans un tel milieu, à condition qu’il commence à un niveau marginal.
Comment l’Univers a acquis ses champs magnétiques: fabriquer les premiers champs magnétiques
D’où vient ce champ de semences ? C’est là qu’interviennent les derniers travaux de Zhou et de ses collègues, publié le 5 mai dans PNAS. Zhou a établi la théorie sous-jacente et effectuée des simulations numériques sur de puissants superordinateurs qui ont révélé comment le champ de semences peut se créer et quels processus fondamentaux sont à l’œuvre.
Un élément essentiel du plasma entre les étoiles et les galaxies est extrêmement diffus, normalement autour d’une particule par mètre cube. C’est une circonstance extrêmement différente de l’intérieur des étoiles, où la densité des particules est supérieure d’environ 30 ordres de grandeur. Les faibles densités indiquent que les particules des plasmas cosmologiques n’entrent jamais en collision. Ce qui a des résultats importants sur leur comportement qui doivent s’inclure dans le modèle créé par ces scientifiques.
Les calculs effectués par les chercheurs du MIT ont respecté la dynamique de ces plasmas, qui se sont formés à partir d’ondes bien ordonnées. Cependant, ils sont devenus turbulents à mesure que l’amplitude augmentait et que les interactions se dévenaient fortement non linéaires.
En incluant des résultats détaillés de la dynamique des plasmas à petite échelle sur des processus astrophysiques macroscopiques, ils ont montré que les premiers champs magnétiques pouvaient spontanément se générer par des mouvements génériques à grande échelle aussi simples que des écoulements cisaillés. Comme les exemples terrestres, l’énergie mécanique se convertit en énergie magnétique.
L’amplitude du champ magnétique
Un résultat essentiel de leur calcul était l’amplitude du champ magnétique produit spontanément attendu. Cela a révélé que l’amplitude du champ pouvait passer de zéro à un niveau où le plasma se « magnétise ». C’est-à-dire où la présence du champ influence fortement la dynamique du plasma.
Désormais, le mécanisme traditionnel de la dynamo peut prendre le contrôle et élever les champs aux niveaux observés. Par conséquent, leur travail représente un modèle auto-cohérent pour générer des champs magnétiques à l’échelle cosmologique.
Le professeur Ellen Zweibel de l’Université du Wisconsin à Madison remarque que « malgré des décennies de progrès étonnants en cosmologie, l’origine des champs magnétiques dans l’univers continue d’être inconnue. Il est fantastique de voir la théorie de la physique des plasmas et la simulation numérique de pointe induite à relever ce défi essentiel.
Zhou et ses collègues continueront d’affiner leur modèle et d’examiner le passage de la génération du champ de semences à l’étape d’amplification de la dynamo. Une partie essentielle de leur étude future consistera à déterminer si le processus peut fonctionner sur une échelle de temps compatible avec les observations astronomiques. Pour citer les chercheurs. “Ce travail constitue la première étape dans la construction d’un tout nouveau paradigme pour comprendre la genèse de la magnéto dans l’univers.”
Ce travail a été financé par le National Science Foundation CAREER Award. Et, la subvention Future Investigators of NASA Earth and Space Science Technology (FINESST).
Lisez l’article original sur MIT News.
