La turbulence est omniprésente et se produit dans notre vie quotidienne sur Terre, par exemple lorsque l’on remue du lait dans le café, ou dans les mouvements agités de l’océan et de l’atmosphère. Les milieux dans l’espace et les systèmes astrophysiques peuvent également développer une turbulence, mais la physique est différente, car le milieu se trouve dans un état ionisé (appelé état plasma) et le mouvement d’écoulement est fortement couplé aux champs électromagnétiques. En outre, le plasma spatial est sans collisions, car le milieu est si dilué que les particules n’entrent pas en collision entre elles. Comment le plasma se développe-t-il en turbulence ? Comment l’énergie des fluctuations est-elle répartie dans une turbulence sans collisions ? La turbulence du plasma spatial reste un mystère en physique.
Une équipe de recherche internationale issue de l’Université technique de Brunswick (Technische Universität Braunschweig) et de l’Université de Tokyo, en coopération avec l’Université de Tohoku, l’Université de Kyushu, l’Université d’Osaka et des instituts de recherche multinationaux, a désormais mis en évidence, pour la première fois, un phénomène d’inversion de la rotation du champ magnétique dans la turbulence spatiale. Une structure émerge au sein du plasma spatial non structuré. Les résultats sont publiés dans The Astrophysical Journal Letters.
L’équipe de l’Institut de physique théorique de l’Université technique de Brunswick (Technische Universität Braunschweig) et de l’Université de Tokyo, en collaboration avec des chercheurs de dix pays au total, a mis en évidence un phénomène fondamentalement nouveau. En utilisant des données magnétiques et de particules de haute précision de la mission Parker Solar Probe de la NASA, l’équipe a montré directement, pour la première fois, que les champs magnétiques turbulents présentent une nette inversion du sens de rotation du champ magnétique à une certaine longueur d’onde, et même que cette inversion s’amplifie et se déplace vers des longueurs d’onde plus grandes dans la direction radiale s’éloignant du Soleil. L’inversion coïncide avec la transition d’une dynamique de type fluide à grande échelle vers une dynamique de type particulaire à petite échelle.
La découverte d’un phénomène à petite échelle a un impact majeur en science
À des échelles de longueur plus grandes, le plasma spatial se comporte comme un fluide, et la turbulence se développe par l’excitation de tourbillons et d’ondes électromagnétiques. Les fluctuations deviennent aléatoires, c’est-à-dire turbulentes. Cependant, la rotation du champ magnétique n’est pas aléatoire. Les champs tournent préférentiellement dans le sens antihoraire lorsqu’on regarde radialement en s’éloignant du Soleil. La rotation, cependant, apparaît différente à des échelles de longueur plus petites. Les champs tournent dans le sens horaire lorsque l’on observe le plasma turbulent à des échelles de longueur plus petites. Cette échelle correspond justement à l’échelle de transition d’un comportement de type écoulement du plasma à un comportement de type particulaire.
« Nous voyons une structure claire dans le spectre, alors même que la turbulence représente des mouvements non structurés », explique le Dr Masatomi Iizawa (TU Braunschweig), premier auteur de l’article.
Le Dr Yokoi (Université de Tokyo) souligne l’importance de cette découverte : « Les résultats revêtent une grande importance aussi bien pour la physique des plasmas que pour l’astrophysique. »
Une structure se forme lorsque le plasma spatial devient turbulent, et l’idée clé réside dans la transition de la dynamique fluide à la dynamique particulaire. La turbulence du plasma joue un rôle important en astrophysique, par exemple dans la magnétosphère terrestre, le vent solaire, les éruptions solaires, l’espace interplanétaire et les disques d’accrétion. La turbulence du plasma spatial peut influencer les ondes de choc et les nuages magnétiques dans l’espace interplanétaire produits par les éruptions solaires et constitue un facteur très important pour la prévision des tempêtes géomagnétiques.
Article : Nonlocal Evolution of Magnetic Helicity across the Magnetohydrodynamic–Kinetic Interface – Journal : The Astrophysical Journal Letters – Méthode : Data/statistical analysis – DOI : Lien vers l’étude
Source : Tokyo U
