Comprendre la génération des rayons cosmiques en laboratoire

Publié par Adrien le 13/10/2021 à 09:00
Source: CNRS INP
En combinant lasers de puissance et champs magnétiques intenses, des chercheurs sont parvenus, pour la première fois, à recréer en laboratoire les conditions d'émission de particules accélérées lors du choc entre le milieu interplanétaire et le champ magnétique terrestre (La Terre possède un champ magnétique produit par les déplacements de son noyau externe –...).En combinant lasers de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) et champs magnétiques intenses, des chercheurs sont parvenus, pour la première fois, à recréer en laboratoire les conditions d'émission de particules accélérées lors du choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de...) entre le milieu interplanétaire (Le milieu interplanétaire est la matière diffuse qui constitue l'espace du système solaire et à...) et le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...) terrestre.


Simulation numérique de la génération d'une onde de choc (Une onde de choc est un type d'onde, mécanique ou d'une autre nature, associé à...) non-collisionnelle en laboratoire. Un plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées...) généré par laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...) (à gauche) se détend dans un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) fortement magnétisé. On distingue à droite l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) de choc qui s'est détachée du "piston" ainsi formé.

Où et comment les rayons cosmiques (électrons, protons, particules alpha), qui voyagent presque à la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour...), acquièrent leur énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) reste en grande partie un mystère. Néanmoins, il est très probable que la plupart de ces rayons proviennent de chocs sans collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de...) produits par des explosions de supernovæ, des éruptions solaires, etc. Grâce à des mesures satellitaires et des simulations numériques, des efforts croissants sont déployés pour étudier les particules énergétiques produites par des chocs similaires qui ont lieu à proximité de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...), dans l'arc de choc créé par la rencontre entre les particules cosmiques venant du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...), constituant le milieu interplanétaire, et le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique terrestre. Cependant, il manque encore le classement et l'identification des mécanismes d'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique,...) les plus efficaces, parmi ceux proposés théoriquement, et la détermination des scénarii auxquels ils correspondent précisément.

Afin d'étudier ces phénomènes de plus près, des chercheurs les ont reproduits en laboratoire au sein d'une collaboration internationale impliquant notamment le Laboratoire national des champs magnétiques intenses (LNCMI, CNRS) et le Laboratoire pour l'étude des lasers intenses (LULI, CNRS/Ecole Polytechnique/Sorbonne Univ.).

Grâce à l'utilisation conjointe de champs magnétiques intenses (20 T) et de lasers de puissance, ils ont reproduit des chocs magnétisés sans collision dans une configuration qui est celle de l'arc de choc terrestre, c'est-à-dire avec le champ magnétique quasi-perpendiculaire à la direction de propagation du choc. De cette manière, ils ont reproduit des caractéristiques de choc très similaires à celles procurées par les mesures satellitaires.

Cette expérience a confirmé que le choc produisait des protons accélérés depuis le milieu ambiant (représentant le milieu interplanétaire), avec des énergies de dizaines de keV. De plus, grâce à des simulations de l'expérience, les chercheurs ont identifié le mécanisme, appelé "surf de choc", qui donne aux protons leur première accélération. Ce mécanisme joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les...) un rôle clé et rend plus efficaces des étapes ultérieures d'accélération en augmentant l'énergie des ions ambiants. Ces résultats fournissent ainsi, pour la première fois, des preuves directes de l'accélération des ions à un stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe...) précoce par des chocs sans collision. Ces travaux sont publiés dans la revue Nature Physics.

Avec de tels nouveaux outils de simulation et d'expérimentation (L'expérimentation est une méthode scientifique qui consiste à tester par des expériences...), l'astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche...) de laboratoire pourrait éclairer les chercheurs sur la façon dont les rayons cosmiques sont générés et accélérés lors d'événements plus énergétiques encore, comme les supernovæ ou les flashs de rayons gamma.

Référence:
Laboratory evidence for proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire...) energization by collisionless shock surfing.
W. Yao, A. Fazzini, S. N. Chen, K. Burdonov, P. Antici, J. Béard, S. Bolaños, A. Ciardi, R. Diab, E. D. Filippov, S. Kisyov, V. Lelasseux, M. Miceli, Q. Moreno, V. Nastasa, S. Orlando, S. Pikuz, D. C. Popescu, G. Revet, X. Ribeyre, E. d'Humières & J. Fuchs, Nature Physics, paru le 19 août 2021.
DOI: doi.org/10.1038/s41567-021-01325-w
Texte disponible sur les bases d'archives ouvertes HAL et arXiv.
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