Reconnexion magnétique laser LFEX

La reconnexion magnétique est générée par l’irradiation du laser LFEX dans la micro-bobine. La sortie de particules accélérée par la reconnexion magnétique est évaluée à l’aide de plusieurs détecteurs. À titre d’exemple des résultats, des sorties de protons avec des distributions symétriques ont été observées. Crédit: Université d’Osaka

Les scientifiques de l’Université d’Osaka utilisent des impulsions laser extrêmement intenses pour créer desplasma conditions comparables à celles qui entourent un trou noir, étude qui peut aider à expliquer les rayons X encore mystérieux qui peuvent être émis par certains corps célestes.

Installation laser LFEX Petawatt

L’une des plus grandes installations laser au pétawatt au monde, LFEX, située dans l’Institut de génie laser de l’université d’Osaka. Crédit: Université d’Osaka

L’ingénierie laser de l’Université d’Osaka a utilisé avec succès des explosions laser courtes mais extrêmement puissantes pour générer une reconnexion du champ magnétique à l’intérieur d’un plasma. Ce travail peut conduire à une théorie plus complète de l’émission de rayons X à partir d’objets astronomiques comme les trous noirs.

En plus d’être soumis à des forces gravitationnelles extrêmes, la matière dévorée par un trou noir peut également être frappée par une chaleur intense et des champs magnétiques. Les plasmas, un quatrième état de la matière plus chaud que les solides, les liquides ou les gaz, sont constitués de protons et d’électrons chargés électriquement qui ont trop d’énergie pour former des atomes neutres. Au lieu de cela, ils rebondissent frénétiquement en réponse aux champs magnétiques. Dans un plasma, la reconnexion magnétique est un processus dans lequel des lignes de champ magnétique torsadées se «cassent» et s’annulent soudainement, ce qui entraîne la conversion rapide de l’énergie magnétique en énergie cinétique des particules. Dans les étoiles, y compris notre soleil, la reconnexion est responsable d’une grande partie de l’activité coronale, comme les éruptions solaires. En raison de la forte accélération, les particules chargées dans le disque d’accrétion du trou noir émettent leur propre lumière, généralement dans la région des rayons X du spectre.

Pour mieux comprendre le processus qui donne lieu aux rayons X observés provenant des trous noirs, les scientifiques de l’Université d’Osaka ont utilisé des impulsions laser intenses pour créer des conditions extrêmes similaires sur le laboratoire. «Nous avons pu étudier l’accélération à haute énergie des électrons et des protons suite à une reconnexion magnétique relativiste», explique l’auteur principal Shinsuke Fujioka. «Par exemple, l’origine de l’émission du fameux trou noir Cygnus X-1, peut être mieux comprise.»

Champs de reconnexion magnétique

Le champ magnétique généré à l’intérieur de la micro-bobine (à gauche) et les lignes de champ magnétique correspondant à la reconnexion magnétique (à droite) sont représentés. La géométrie des lignes de champ a changé de manière significative pendant (supérieure) et après la reconnexion (inférieure). La valeur de crête du champ magnétique a été mesurée à 2 100 T dans notre expérience. Crédit: Université d’Osaka

Ce niveau d’intensité lumineuse n’est cependant pas facilement obtenu. Pendant un bref instant, le laser a nécessité deux pétawatts de puissance, ce qui équivaut à mille fois la consommation électrique du globe entier. Avec le laser LFEX, l’équipe a pu atteindre des champs magnétiques de pointe avec 2 000 telsas époustouflants. À titre de comparaison, les champs magnétiques générés par un appareil d’IRM pour produire des images diagnostiques sont généralement d’environ 3 teslas et le champ magnétique terrestre est de 0,00005 teslas. Les particules du plasma s’accélèrent à un degré si extrême que des effets relativistes doivent être pris en compte.

«Auparavant, la reconnexion magnétique relativiste ne pouvait être étudiée que par simulation numérique sur un supercalculateur. Maintenant, c’est une réalité expérimentale dans un laboratoire avec des lasers puissants », explique le premier auteur King Fai Farley Law. Les chercheurs pensent que ce projet aidera à élucider les processus astrophysiques qui peuvent se produire à des endroits de l’Univers contenant des champs magnétiques extrêmes.

Référence: «Reconnexion magnétique relativiste dans un laboratoire laser pour tester un mécanisme d’émission d’un système de trous noirs à l’état dur» par KFF Law, Y. Abe, A. Morace, Y. Arikawa, S. Sakata, S. Lee, K. Matsuo, H. Morita, Y. Ochiai, C. Liu, A. Yogo, K. Okamoto, D. Golovin, M. Ehret, T. Ozaki, M. Nakai, Y. Sentoku, JJ Santos, E. d’Humières, Ph Korneev et S. Fujioka, 3 septembre 2020, Examen physique E.
DOI: 10.1103 / PhysRevE.102.033202