NGC 1512 est une galaxie spirale barrée située dans la constellation de l'Horloge à environ 41 millions d'années-lumière de la Voie lactée. Elle est ici observée par Hubble. © Nasa, Esa

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Champs magnétiques galactiques : la théorie de la dynamo vérifiée en labo

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Une vieille idée concernant l'apparition et la stabilité des champs magnétiques au niveau des étoiles et des galaxies vient d'être vérifiée en laboratoire. Une dynamo auto-excitée peut prendre naissance dans des plasmas chauds sous l'effet de leur turbulence.

L'existence du champ magnétique de la Terre est connue depuis des millénaires, mais c'est seulement au début du XXe siècle qu'une explication scientifique a été donnée quand il est apparu que l'hypothèse d'un aimant enfoui à l'intérieur de la planète ne tenait pas. En effet, comme le prouve l'expérience, un matériau ferromagnétique perd son aimantation au-dessus d'une température critique de quelques centaines de degrés. On avait fini par comprendre que ces températures étaient assez rapidement et largement dépassées en s'enfonçant dans les entrailles du globe.

Toujours au début du siècle dernier, la récente découverte de l'effet Zeeman, c'est-à-dire l'influence d'un champ magnétique sur le spectre d'un élément, avait permis de mettre en évidence la présence de champs magnétiques à la surface du Soleil en 1908, plus précisément au niveau des taches solaires et finalement du Soleil lui-même. Comment rendre compte là aussi de ces champs puisque la surface du Soleil est un plasma bouillonnant à des températures de l'ordre de 6.000 K ?

Joseph Larmor (1857-1942) était professeur lucasien de mathématiques à l'université de Cambridge, le poste occupé par Newton, Dirac et Hawking. Pionnier de la théorie électromagnétique, il s'est hélas opposé aux théories de la relativité. © DP, Wikipédia

En 1919, le Britannique Joseph Larmor a eu une brillante idée à ce sujet en introduisant le concept de dynamo auto-excitée en astrophysique. Sans surprise, il fut également repris pour tenter d'expliquer l'origine du champ magnétique de la Terre. Nous savons aujourd'hui que Larmor avait vu juste. Des expériences comme VKS ont confirmé que c'est bien ainsi que le champ magnétique de la Terre prenait son origine et aussi que cela permettait de comprendre l'origine des fameuses inversions magnétiques.

De la Terre aux galaxies, des dynamos auto-excitées avec des fluides turbulents

Rappelons brièvement le principe d'une dynamo auto-excitée. Il s'agit de générer un champ magnétique, sans courant électrique initial, à partir d'un mouvement mécanique de rotation. Une représentation simple d'une telle dynamo est celle de la dynamo de Faraday-Bullard (1955) dans laquelle un disque métallique est mis en rotation et se trouve connecté à une bobine. Une légère fluctuation de courant électrique ou magnétique autour d'une moyenne nulle peut alors être amplifiée. Ainsi, un faible courant électrique dans la bobine sera à l'origine d'un champ magnétique dont le flux coupant le disque générera un courant électrique qui, injecté dans la bobine précédente, sera à son tour à l'origine d'un champ magnétique, et ainsi de suite.

C'est le principe du phénomène qui doit naître dans les courants turbulents et chauds de la partie liquide du noyau de notre planète en rotation.

Image radio et optique combinée de la galaxie IC 342, utilisant les données des radiotélescopes VLA et Effelsberg. Les lignes indiquent l'orientation des champs magnétiques dans la galaxie.© R. Beck, MPIfR; NRAO/AUI/NSF; graphiques: U. Klein, AIfA; image de fond: T.A. Rector, University of Alaska, Anchorage et H. Schweiker, WIYN; NOAO/AURA/NSF

C'est aussi vers la théorie de la dynamo auto-excitée que se sont tournés les astrophysiciens après la seconde guerre mondiale lorsqu'ils ont découvert l'existence des champs magnétiques interstellaires dans les galaxies. De plus, ces champs pouvaient expliquer comment les rayons cosmiques pouvaient être accélérés dans la Voie lactée, comme allait le montrer Enrico Fermi. On a même pensé un temps que les formes spirales des galaxies pouvaient provenir de ces champs. On sait aujourd'hui qu'il s'agit d'ondes de densité excitées par les champs de gravitation dans les gaz d'étoiles des galaxies. Toutefois, on mesure effectivement que les champs magnétiques associés au plasma interstellaire s'enroulent bien en suivant les bras spiraux des galaxies, au moins dans certains cas. Il est donc probable que l'origine de ces bras est plus complexe qu'on ne l'imaginait et que la gravitation aussi bien que les forces magnétiques les sculptent.

Un morceau de plasma galactique reproduit en laboratoire

Mais peut-on être sûr pour autant de l'origine des champs magnétiques cosmiques par effet dynamo en dehors du cas de la Terre ? La question agite l'esprit des astrophysiciens depuis des décennies et comme dans le cas de VKS, ils viennent de réussir une expérience décisive. Elle confirme ce que des simulations numériques prédisaient depuis quelque temps sur les supercalculateurs.

Une vue d'une expérience conduite avec le laser Omega. © University of Rochester

Une équipe internationale de chercheurs en physique des plasmas vient en effet de publier un article dans Nature Communications, déposé l'année dernière sur arXiv. Est exposé le résultat d'expériences menées avec le fameux laser Omega se trouvant au Laboratory for Laser Energetics (LLE) de l'université de Rochester (États-Unis).

Il s'agissait de reconstituer pendant quelques milliardièmes de seconde dans un volume de la taille d'une pièce de monnaie une portion de plasma chaud et surtout turbulent, tel qu'on peut le trouver en astrophysique. La lumière laser utilisée était d'une intensité d'environ 100.000 milliards de pointeurs laser combinés. Cette même lumière diffusée par le plasma formé portait en elle les caractéristiques de ce plasma turbulent, comme sa température et l'intensité du champ magnétique pouvant y naître. Les physiciens ont donc pu suivre la croissance en quelques nanosecondes d'un champ magnétique initialement faible et dont l'intensité a atteint la valeur de 100 kilogauss environ soit presque 200.000 fois l'intensité du champ magnétique de la Terre.

Selon les chercheurs, le modèle de la dynamo auto-excitée turbulent postulé pour rendre compte de la naissance et de la longévité des champs magnétiques galactiques et stellaires sort très renforcé de ces expériences.

  • L'existence de champs magnétiques du Soleil aux galaxies est connue depuis le début et la seconde moitié du XXe siècle respectivement.
  • On a proposé à chaque fois un même mécanisme pour expliquer l'apparition spontanée de champs magnétiques et leur stabilité sur une longue durée : des dynamos auto-excitées dans du plasma turbulent, cousines de la dynamo terrestre dans du fer liquide.
  • Des expériences en laboratoire avec du plasma produit avec le puissant laser Omega viennent de conforter sérieusement ce modèle de l'origine des champs magnétiques galactiques.
Pour en savoir plus

Des champs magnétiques galactiques sans effet dynamo ?

Article de Laurent Sacco, publié le le 05/10/2008

L'origine du champ magnétique des galaxies est mal comprise mais l'on s'accorde à y voir une manifestation d'un phénomène bien connu sur Terre : l'effet dynamo. Pourtant, une nouvelle observation effectuée avec le radiotélescope de Green Bank vient confirmer celles faites avec les télescopes du VLT. Le champ magnétique des jeunes galaxies semble trop fort pour avoir été lentement amplifié par cet effet.

Il y a quelques mois un groupe d'astrophysiciens avait publié sur arxiv et dans Nature le résultat de leurs observations effectuées avec le VLT. Il s'agissait pour eux de comprendre comment les champs magnétiques des galaxies avaient évolué au cours du temps. Selon la théorie la plus communément admise, de petites fluctuations de courants et de champs magnétiques parcourant le plasma du milieu interstellaire complexe des galaxies, sujet à des mouvements turbulents, avaient été lentement amplifiées au cours du temps selon un processus similaire à celui de la dynamo auto-excitatrice terrestre.

Ainsi, la théorie voulait que plus l'on regardait des galaxies loin de la Voie lactée, les objets observés étant de plus en plus anciens, plus les champs magnétiques galactiques mesurés devaient être faibles. À la surprise des chercheurs, sur les vingt galaxies étudiées dont les âges étaient de l'ordre de seulement un tiers de l'âge de l'Univers qui est, rappelons-le de 13,7 milliards d'années, les champs magnétiques étaient aussi forts que ceux observés aujourd'hui.

Le radiotélescope de Green Bank est le plus grand radiotélescope orientable du monde et sa résolution est d'une seconde d'arc, c'est-à-dire qu'il peut distinguer deux objets séparés par l'épaisseur d'un cheveu observés à une distance de 1 m 80 environ. Alors que les mesures des intensités de champs magnétiques faites avec le VLT étaient indirectes, il est possible avec ce radiotélescope de mesurer directement celles régnant dans une seule galaxie.

C'est ce que viennent de faire Arthur Wolfe et ses collègues et ils publient à leur tour le résultat de leurs observations dans Nature. Cette fois, dans le cas de la jeune galaxie DLA-3C286, son champ magnétique était dix fois plus intense il y a 6,5 milliards d'années que celui de notre Voie lactée !

L'effet dynamo résiste encore

L'observation semble non seulement confirmer les précédentes mais pose un sérieux problème pour ceux qui croient à l'explication de la génération des champs magnétiques galactiques par effet dynamo.

Pour Arthur Wolfe, ce n'est pas nécessairement le cas. Il se pourrait que les chercheurs aient mesuré non pas la moyenne de l'intensité du champ magnétique de cette galaxie mais plutôt celle régnant dans son noyau, dont on sait qu'elle est généralement plus élevée. Il se pourrait aussi qu'un choc récent avec une autre galaxie ait provoqué une amplification temporaire du champ magnétique de DLA-3C286. Pour la thèse de l'effet dynamo, la situation ne deviendra vraiment difficile que si d'autres observations de ce genre se multiplient avec les mêmes résultats.

En attendant, les chercheurs font remarquer que le taux de production d'étoiles dans le milieu interstellaire d'une galaxie devrait être influencé par son champ magnétique. Il est intéressant d'observer qu'il semble bien y avoir une corrélation entre un taux assez faible de génération de nouvelles étoiles et la présence d'un champ magnétique galactique fort dans toutes ces galaxies lointaines.

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