Des physiciens produisent un jet de plasma supersonique stable en laboratoire

Le plasma est un état de la matière dans lequel un gaz est fortement ionisé. Il est omniprésent dans l’Univers puisqu’il représente la composition principale des étoiles, et se retrouve également sous forme de jets éjectés par de nombreux objets cosmiques comme les trous noirs ou encore les supernovas. Afin d’étudier les propriétés de ces jets, des chercheurs sont parvenus avec succès à créer des jets de plasma supersoniques stables fortement magnétisés en laboratoire.

Une équipe de scientifiques dirigée par les physiciens Lan Gao du Laboratoire de physique du plasma (PPPL) de Princeton et Edison Liang de l’Université Rice, a créé pour la première fois une forme particulière de jet de plasma cohérent et magnétisé qui pourrait approfondir la compréhension du fonctionnement de jets beaucoup plus gros, provenant d’étoiles et peut-être de trous noirs. L’étude a été publiée dans la revue Astrophysical Journal Letters.

« Nous créons maintenant dans un laboratoire des jets de plasma stables, supersoniques et fortement magnétisés qui pourraient nous permettre d’étudier des objets astrophysiques situés à des années-lumière »  déclare Liang.

Vingt faisceaux lasers à l’origine des jets de plasma supersoniques

L’équipe a créé les jets à l’aide de l’installation laser OMEGA du laboratoire d’énergétique laser (LLE) de l’Université de Rochester. Les chercheurs ont orienté 20 faisceaux laser individuels d’OMEGA dans une zone annulaire sur une cible en plastique. Chaque laser a créé une petite bouffée de plasma ; à mesure que celles-ci se dilatent, elles exercent une pression sur la région interne de l’anneau. Cette pression a ensuite produit un jet de plasma atteignant plus de quatre millimètres de long et a créé un champ magnétique de plus de 100 teslas.

« C’est la première étape dans l’étude des jets de plasma en laboratoire. Je suis enthousiaste parce que nous avons non seulement créé un jet, mais nous avons également utilisé avec succès des diagnostics avancés sur OMEGA pour confirmer la formation du jet et en caractériser les propriétés » déclare Gao.

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Les outils de diagnostic, développés avec les équipes du LLE et du Massachusetts Institute of Technology (MIT), mesuraient la densité, la température et la longueur du jet, sa cohésion, ainsi que la forme du champ magnétique qui l’entourait.

Ces mesures aident les scientifiques à déterminer comment les phénomènes de laboratoire peuvent être comparés aux jets dans l’espace. Ils fournissent également une base de référence sur laquelle les scientifiques peuvent s’appuyer pour observer le comportement du plasma dans différentes conditions.

Mieux comprendre les jets de plasma et leur champ magnétique

« Ces recherches sont révolutionnaires car aucune autre équipe n’a lancé avec succès un jet supersonique à faisceau étroit, porteur d’un champ magnétique aussi puissant, qui s’étend sur des distances significatives. C’est la première fois que des scientifiques démontrent que le champ magnétique ne s’enroule pas uniquement autour du jet, mais s’étend également parallèlement à son axe » indique Liang.

Les chercheurs espèrent élargir leurs recherches avec de plus grandes installations laser et étudier d’autres types de phénomènes. « La prochaine étape consiste à déterminer si un champ magnétique externe pourrait rendre le jet plus long et plus collimaté » explique Gao.

« Nous aimerions également reproduire l’expérience en utilisant le National Ignition Facility du laboratoire national Lawrence Livermore, qui dispose de 192 faisceaux laser, dont la moitié pourrait être utilisée pour créer notre anneau de plasma. Il aurait un rayon plus grand et produirait ainsi un jet plus long. Ce processus nous aiderait à comprendre dans quelles conditions le jet de plasma est le plus puissant » conclut-il.

Sources : Astrophysical Journal Letters