Des scientifiques recréent en laboratoire le plasma d’un amas de galaxies

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Image d’un amas massif de galaxies, Abell 1689, prise par Hubble. | NASA/ESA/Hubble Heritage
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Cette expérience, dirigée par les Universités d’Oxford, de Rochester et de Chicago, a été menée au National Ignition Facility : pas moins de 196 lasers ont été nécessaires pour recréer les conditions extrêmes et particulières qui règnent à l’intérieur des gigantesques amas de galaxies. La majorité de la matière qui s’y trouve se présente sous la forme d’un plasma chaud et turbulent, mais les scientifiques ne peuvent expliquer pourquoi ce gaz ionisé apparaît beaucoup plus chaud que prévu par la théorie. Recréer ces conditions plasmatiques en laboratoire a permis de résoudre enfin cette énigme.

Les amas de galaxies regroupent plus d’une centaine et jusqu’à plusieurs milliers de galaxies, liées les unes aux autres par la gravité. Notre galaxie appartient elle aussi à un amas ; plus précisément, elle fait partie du Groupe local (qui comporte une trentaine de galaxies), qui lui-même appartient au superamas de la Vierge. Les amas galactiques sont les plus grandes structures connues dans l’Univers visible. Ils sont remplis de plasma chaud et diffus, qui est parcouru par des champs magnétiques et qui émet des rayons X.

Les scientifiques savent depuis longtemps que l’hydrogène gazeux dans ces amas de galaxies est extrêmement chaud (environ 10 millions de degrés, soit la même température qu’au centre du Soleil), tellement chaud que les atomes d’hydrogène ne peuvent exister ; le gaz devient un plasma de protons et d’électrons. Or, selon les lois de la physique, ce gaz aurait dû se refroidir au cours du temps. Il demeure pourtant extrêmement chaud, même après des milliards d’années, et les spécialistes ne parviennent pas à comprendre pourquoi. Pour résoudre ce mystère, une équipe internationale d’astrophysiciens a entrepris de recréer ces conditions extrêmes en laboratoire, grâce au National Ignition Facility (NIF).

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Des champs magnétiques qui inhibent la conduction thermique

Le NIF est un laser de recherche situé au Lawrence Livermore National Laboratory, à Livermore ; c’est l’installation laser la plus énergétique au monde (elle est capable de générer 500 térawatts de puissance pendant une fraction de seconde), elle est donc idéale pour simuler ce qu’il se passe au sein des plus grands objets de l’Univers. « Les expériences menées au NIF sont littéralement hors de ce monde », a déclaré Jena Meinecke, physicienne des plasmas à l’Université d’Oxford et auteure principale de l’étude.

L’expérience menée par Meinecke et ses collègues consistait à focaliser les 196 lasers de l’installation sur une minuscule cible (de la taille d’une pièce de monnaie) — deux disques de polystyrène, séparés de 8 mm et par deux grilles en plastique — afin de créer un plasma ultra chaud accompagné d’intenses champs magnétiques. Ledit plasma ne s’est maintenu que pendant quelques milliardièmes de seconde, mais cela a suffi aux chercheurs pour trouver une explication à la chaleur durable du plasma galactique.

Ils ont constaté en effet que la température au sein du plasma n’était pas uniforme : certains points étaient chauds, d’autres plus froids. Ces observations ont corroboré l’une des théories proposées sur la façon dont la chaleur est piégée à l’intérieur des amas de galaxies. Dans les gaz et les plasmas classiques, on sait que les flux de chaleur sont proportionnels aux gradients de température — les collisions entre particules assurant la médiation du flux d’énergie des régions les plus chaudes vers les régions les plus froides, expliquent les chercheurs dans Science Advances.

simulation plasma amas galaxies
Des simulations informatiques ont montré que des points chauds et froids se formaient autour de la cible. © Yingchao Lu/Université de Rochester

Mais au sein des amas de galaxies, il apparaît que les champs magnétiques impactent le mouvement des électrons, qui tournent en spirale suivant leur direction et qui de ce fait, sont moins à même de répartir uniformément leur énergie. « Ce qui est unique dans ces expériences NIF, c’est que les électrons du plasma entrent en collision suffisamment rarement les uns avec les autres pour finir par suivre les lignes de champ magnétique enchevêtrées », explique le Dr Archie Bott, chercheur à l’Université de Princeton et co-auteur de l’étude.

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Des processus physiques complexes, qui restent à identifier

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« Les simulations ont été essentielles pour démêler la physique en jeu dans le plasma turbulent et magnétisé, mais le niveau de suppression du transport thermique était au-delà de ce à quoi nous nous attendions », souligne Petros Tzeferacos, astrophysicien à l’Université de Rochester et co-auteur de l’étude. Les résultats expérimentaux sont surprenants en effet, car ils démontrent que l’énergie est transportée de manière très différente de celle prédite par la théorie. Suite à l’expérience, l’équipe rapporte que la conduction de l’énergie est diminuée de plus de 100 fois ; des poches de plasma chaud, dont la chaleur ne peut s’échapper, persistent dans le temps.

Les simulations ont été effectuées avec le code FLASH, spécifiquement conçu pour étudier la physique des plasmas et hébergé au Flash Center for Computational Science de l’Université de Rochester. Ce code permet aux scientifiques de simuler leurs expériences laser de façon très détaillée avant de les réaliser. L’expérience en question ne durant qu’une infime fraction de seconde, il est en effet essentiel de s’assurer au préalable que tout se déroulera au mieux et qu’il sera possible d’obtenir les mesures souhaitées.

Si les chercheurs ont réussi à démêler le fonctionnement interne de la conduction thermique au sein des amas galactiques, d’autres questions subsistent. En effet, bien que l’existence de points chauds et froids prouve que les champs magnétiques ont un véritable impact sur le refroidissement du gaz chaud des amas galactiques, les mécanismes microscopiques responsables de la suppression du transport thermique restent un mystère. L’équipe a d’ores et déjà prévu de mener d’autres expériences au NIF plus tard cette année pour tenter de mieux comprendre le phénomène.

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Source : J. Meinecke et al., Science Advances

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