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Vent solaire : l'énigme de la loi de Kolmogorov est résolue

ActualitéClassé sous :Astronomie , physique , turbulence

La physique des plasmas est un domaine encore mystérieux. Il y a environ trente ans, la sonde Voyager avait découvert une énigme : le vent solaire est anormalement chaud et ne semble pas suivre une loi liée à la turbulence découverte par le grand mathématicien russe Andrei Kolmogorov. L'énigme semble aujourd'hui résolue grâce à des simulations numériques.

Le grand mathématicien Andrei Kolmogorov. Crédit : www.kolmogorov.pms.ru

Le plasma est omniprésent dans notre Univers. Il était là avant la recombinaison dans l'Univers primordial. Il est toujours là aujourd'hui au niveau des amas de galaxies et dans le milieu interstellaire. Plus proche de nous, il constitue le Soleil et il parcourt les espaces interplanétaires dans le système solaire pour entrer en collision avec les magnétosphères des planètes comme celles de la Terre et de Jupiter.

Même si l'on sait beaucoup de choses sur la physique des plasmas, ce n'est certainement rien en comparaison de ce qu'il nous reste à en apprendre. Il ne s'agit pas de questions simplement académiques concernant sa description à partir des équations de la magnétohydrodynamique et de la théorie cinétique des gaz. La compréhension profonde de la physique des plasma est vitale pour l'avenir de l'humanité car c'est d'elle que viendra la clé qui ouvrira l'accès à la fusion thermonucléaire contrôlée, dans un avenir que l'on espère le plus proche possible, avec le programme Iter.

Cliquer pour agrandir. Les aurores causées par les particules du vent solaire dans la magnétosphère de Saturne. Crédit : Nasa

Malheureusement, comme tous les fluides, le comportement des plasmas est régi par des équations non linéaires, des phénomènes chaotiques. Encore plus que dans le cas des fluides neutres, les effets de la turbulence y sont difficiles à analyser bien qu'ils y soient pourtant cruciaux. Les plus grands théoriciens de la physique et les plus grands mathématiciens se sont penchés sur la turbulence. Parmi eux, on compte le mathématicien de génie qu'était Andrei Kolmogorov.

Il faut prendre en compte le chaos...

C'est ainsi qu'il a établi une loi décrivant comment les transferts d'énergie dans un fluide se font par cascades entre des tourbillons d'échelles de plus en plus petites. Ces transferts sont reliés à une loi de puissance dont l'exposant devait être de 5/3 selon les conclusions des travaux effectués en 1941 par Kolmogorov.

Or, il y a une trentaine d'années, alors que l'une des sondes Voyager s'élançait pour son grand tour du système solaire, elle commençait à analyser le plasma interplanétaire. A la surprise des astrophysiciens, le spectre en énergie des ondes du vent solaire turbulent ne satisfaisait pas à la loi de Kolmogorov.

L'exposant était de 7/3, ce qui se traduisait par une augmentation de 40% du taux de transfert de l'énergie entre les particules chaudes et les particules froides du plasma. Par la suite, d'autres sondes permirent de confirmer les observations de Voyager.

Une fois plus, la nature non linéaire de la mécanique des fluides produisait des phénomènes qui échappaient à la sagacité de l'esprit humain comme Feynman, Heisenberg et Chandrasekhar en avaient fait douloureusement l'expérience.

Cela vient de changer grâce à des simulations numériques en 3D réalisées par Padma Kant Shukla et Dastgeer Shaikh respectivement professeur à l'université de Bochum en Allemagne et celle de Hunstville dans l'Alabama (Etats-Unis).

La pleine prise en compte de certains effets non linéaires montre alors que les atomes et les ions chauds du plasma se comportent comme ceux d'un plat mis au four à micro-ondes en pompant efficacement de l'énergie. On retrouve alors la loi observée avec un exposant en 7/3.

Ce résultat est intéressant à plus d'un titre. En plus de donner une explication à une vieille énigme du système solaire, il pourrait contribuer à mieux comprendre des phénomènes à l'échelle de la Galaxie. Malgré les mécanismes d'accélération des rayons cosmiques proposés par Enrico Fermi, on ne comprend toujours pas très bien comment certains d'entre eux peuvent être aussi énergétiques.

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