La formation des jets stellaires à grande échelle enfin expliquée

Publié par Adrien le 18/10/2014 à 00:00
Source: CNRS
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Grâce à un dispositif expérimental breveté et à des simulations numériques de grande ampleur, des chercheurs sont parvenus à expliquer la formation des jets émis par les jeunes étoiles, et ce, en très bon accord avec les observations astrophysiques. Ce modèle, qui fait intervenir le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...) interstellaire, a été élaboré par une collaboration internationale (1) menée par des équipes françaises du Laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses (LULI, CNRS/École Polytechnique/UPMC/CEA), du Laboratoire d'études du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) et de la matière en astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche...) et atmosphères (LERMA, Observatoire de Paris/CNRS/UPMC/Université de Cergy-Pontoise/ENS Paris) et du Laboratoire national des champs magnétiques intenses (LNCMI, CNRS). Leurs travaux sont publiés dans la revue Science le 17 octobre 2014.


Le dispositif expérimental utilisé dans cette étude.
La structure centrale de cette chambre expérimentale permet d'étudier le couplage laser-matière en présence des forts champs magnétiques et dans le vide.
© Julien Fuchs / LULI


Des jets bipolaires émis par l'étoile en formation HH30, située au centre d'un disque d'accrétion qui l'alimente en gaz.
© NASA, A. Watson (Universidad Nacional Autonoma de Mexico), K. Stapelfeldt (JPL), J. Krist, C. Burrows (ESA/ STScI)

Les jets astrophysiques sont d'étroits pinceaux de matière qui peuvent se propager sur de grandes distances (des centaines de fois la distance Terre-Soleil). Ils sont omniprésents dans l'Univers, émergeant d'objets célestes aussi variés que les étoiles en formation, les naines blanches, les étoiles à neutrons, ou les trous noirs, dont le point commun est d'amasser activement de la matière depuis leur proche environnement, via un disque de matière en rotation. Bien que spectaculaires, les jets ont longtemps été considérés comme de simples sous-produits de ce processus d'accrétion de matière. Toutefois, les physiciens ont peu à peu réalisé qu'ils jouent en réalité un rôle crucial dans ce phénomène. Par exemple, les jets qui s'échappent des pôles d'une étoile naissante ralentissent la rotation du gaz en train de s'effondrer sur le noyau central, permettant à la matière de continuer à s'agréger. Par ailleurs, leur action sur le milieu interstellaire (En astronomie, le milieu interstellaire est le gaz raréfié qui, dans une galaxie, existe entre...) peut y faire naître de nouvelles étoiles. Cependant, malgré leur importance, les jets restent parmi les phénomènes les plus mystérieux de l'astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer...) moderne. En particulier, les théories actuelles ont du mal à expliquer comment la matière peut se propager sur de si longues distances tout en restant confinée en un jet étroit.

Grâce à la première simulation de ce phénomène en laboratoire, et à des modélisations numériques en trois dimensions, les chercheurs ont compris que les jets émis par les très jeunes étoiles sont confinés par un champ magnétique à large échelle, qui est aligné avec l'axe des jets, comme l'ont récemment précisé des mesures par télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant...). Le mécanisme que les chercheurs proposent est donc en très bon accord avec les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) astrophysiques actuelles. Il rend compte notamment de mystérieuses émissions de rayons X observées par le satellite Chandra le long des jets.

Des lasers et des bobines pour reproduire l'environnement interstellaire

Ces résultats ont été rendus possibles par un dispositif expérimental unique, récemment breveté, couplant lasers de puissance et champs magnétiques intenses. En arrachant des électrons à un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou...) de plastique à l'aide de faisceaux laser, les physiciens du LULI ont produit un plasma (2) représentatif, à échelle réduite, de l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) des jeunes étoiles. Mais ce qui a été déterminant, c'est la génération, par des bobines fabriquées au LNCMI, d'un champ magnétique assez intense pour reproduire, dans quelques centimètres cubes et pendant quelques millionièmes de secondes, l'environnement interstellaire. Des physiciens du LERMA et du LULI, aidés par des collaborateurs étrangers, ont ensuite modélisé, au moyen de supercalculateurs, de jeunes étoiles en formation et l'expérience en laboratoire. L'accord entre ces deux simulations a confirmé le rôle clé du champ magnétique interstellaire.


Simulation de la formation des jets émis par une étoile jeune (au centre). En blanc, les lignes de champ magnétique.
En laboratoire, il suffit de 20 nanosecondes pour reproduire la structure qui se forme en 6 ans sur 600 fois la distance Terre-Soleil, de part et d'autre d'une étoile jeune.
© Andréa Ciardi / LERMA


Jet émis par l'étoile en formation HH47, située dans la constellation des Voiles.
Ce type de jet de plasma est émis à une vitesse de plusieurs centaines de kilomètres par seconde, et ne subsiste que 100 000 ans environ.
© NASA, ESA, P. Hartigan (Rice University)

Dans cette étude, les scientifiques se sont penchés spécifiquement sur les jets de plasma des étoiles naissantes, mais le même mécanisme pourrait être à l'œuvre dans les autres types de jets astrophysiques. En outre, ce travail ouvre la voie pour étudier, de manière concrète, le rôle des champs magnétiques en astrophysique. Les chercheurs souhaitent notamment se pencher sur le mécanisme d'accumulation de matière par les jeunes étoiles, les rayons cosmiques (3) et les arches de plasma éjectées lors des éruptions solaires. Enfin, le dispositif construit au LULI pourrait servir aux recherches sur la fusion nucléaire (La fusion nucléaire (dite parfois thermonucléaire) est, avec la fission, l’un des...), où les champs magnétiques sont évoqués depuis longtemps pour pouvoir confiner les ions au sein d'un combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se...) et augmenter leur température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...), ce qui est le paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte...) clé pour parvenir à la fusion.

Notes:

(1) Ce travail a mobilisé des scientifiques de France, d'Italie, d'Allemagne, du Royaume-Uni, de Russie, du Japon, des Etats-Unis et du Canada.
(2) Un plasma est un gaz ionisé, composé d'ions et d'électrons libres.
(3) Le rayonnement cosmique désigne un flux de particules chargées de très haute énergie en provenance de l'espace, dont on ignore toujours l'origine exacte.
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