Une expérience sur les métaux liquides donne un aperçu du mécanisme de chauffage de la couronne solaire – –

À 15 millions de degrés Celsius, le centre de notre Soleil est incroyablement chaud. À sa surface, il émet sa lumière à une température relativement modérée de 6000 degrés Celsius. “Il est d’autant plus étonnant que des températures de plusieurs millions de degrés prévalent à nouveau dans la couronne solaire sus-jacente”, déclare le Dr Frank Stefani. Son équipe mène des recherches à l’Institut de dynamique des fluides HZDR sur la physique des corps célestes, y compris notre étoile centrale. Pour Stefani, le phénomène de chauffage corona reste l’un des grands mystères de la physique solaire, celui qui ne cesse de lui traverser l’esprit sous la forme d’une question toute simple : « Pourquoi la marmite est-elle plus chaude que le poêle ?

Le fait que les champs magnétiques jouent un rôle dominant dans le chauffage de la couronne solaire est maintenant largement accepté en physique solaire. Cependant, il reste controversé si cet effet est principalement dû à un changement soudain des structures de champ magnétique dans le plasma solaire ou à l’amortissement de différents types d’ondes. Les nouveaux travaux de l’équipe de Dresde se concentrent sur les ondes dites d’Alfvén qui se produisent sous la couronne dans le plasma chaud de l’atmosphère solaire, qui est imprégné de champs magnétiques. Les champs magnétiques agissant sur les particules ionisées du plasma ressemblent à une corde de guitare, dont le jeu déclenche un mouvement ondulatoire. Tout comme la hauteur d’une corde grattée augmente avec sa tension, la fréquence et la vitesse de propagation de l’onde d’Alfvén augmentent avec la force du champ magnétique.

« Juste en dessous de la couronne solaire se trouve ce qu’on appelle la canopée magnétique, une couche dans laquelle les champs magnétiques sont alignés en grande partie parallèlement à la surface solaire. Ici, le son et les ondes d’Alfvén ont à peu près la même vitesse et peuvent donc facilement se transformer. voulait arriver exactement à ce point magique – où commence la transformation de type choc de l’énergie magnétique du plasma en chaleur », explique Stefani, décrivant l’objectif de son équipe.

Une expérience dangereuse ?

Peu de temps après leur prédiction en 1942, les ondes d’Alfvén avaient été détectées dans les premières expériences sur les métaux liquides et plus tard étudiées en détail dans des installations de physique des plasmas élaborées. Seules les conditions de la voûte magnétique, considérées comme cruciales pour le chauffage corona, restaient jusqu’à présent inaccessibles aux expérimentateurs. D’une part, dans les grandes expériences sur le plasma, la vitesse d’Alfvén est généralement beaucoup plus élevée que la vitesse du son. D’un autre côté, dans toutes les expériences sur les métaux liquides à ce jour, il a été nettement inférieur. La raison à cela : l’intensité du champ magnétique relativement faible des bobines supraconductrices courantes avec un champ constant d’environ 20 tesla.

Mais qu’en est-il des champs magnétiques pulsés, tels que ceux qui peuvent être générés au laboratoire de champ magnétique élevé (HLD) du HZDR à Dresde avec des valeurs maximales de près de 100 teslas ? Cela correspond à environ deux millions de fois la force du champ magnétique terrestre : ces champs extrêmement élevés permettraient-ils aux ondes d’Alfvén de franchir le mur du son ? En examinant les propriétés des métaux liquides, on savait d’avance que le rubidium de métal alcalin atteignait déjà ce point magique à 54 tesla.

Mais le rubidium s’enflamme spontanément à l’air et réagit violemment avec l’eau. L’équipe avait donc initialement des doutes quant à l’opportunité d’une expérience aussi dangereuse. Les doutes ont été rapidement dissipés, se souvient le Dr Thomas Herrmannsdörfer du HLD : “Notre système d’alimentation en énergie pour faire fonctionner les aimants à impulsions convertit 50 mégajoules en une fraction de seconde – avec cela, nous pourrions théoriquement faire décoller un avion de ligne commercial en une fraction de seconde. Quand j’expliquais à mes collègues qu’un millième de cette quantité d’énergie chimique du rubidium liquide ne m’inquiétait pas beaucoup, leurs expressions faciales s’éclairaient visiblement.”

Pulsé à travers le mur du son magnétique

Néanmoins, c’était encore une route rocailleuse à l’expérience réussie. En raison des pressions jusqu’à cinquante fois supérieures à la pression atmosphérique générées dans le champ magnétique pulsé, le rubidium fondu devait être enfermé dans un solide récipient en acier inoxydable, qu’un chimiste expérimenté, sorti de sa retraite, devait remplir. En injectant du courant alternatif au fond du conteneur tout en l’exposant simultanément au champ magnétique, il a finalement été possible de générer des ondes d’Alfvén dans le bain de fusion, dont le mouvement ascendant a été mesuré à la vitesse attendue.

La nouveauté : alors que jusqu’à l’intensité du champ magique de 54 tesla, toutes les mesures étaient dominées par la fréquence du signal de courant alternatif, exactement à ce stade, un nouveau signal avec une fréquence réduite de moitié est apparu. Ce doublement soudain de la période était en parfait accord avec les prédictions théoriques. Les vagues d’Alfvén de l’équipe de Stefani ont franchi pour la première fois le mur du son. Bien que tous les effets observés ne puissent pas encore être expliqués aussi facilement, le travail apporte un détail important pour résoudre le casse-tête du chauffage de la couronne solaire. Pour l’avenir, les chercheurs prévoient des analyses numériques détaillées et d’autres expériences.

Des recherches sur le mécanisme de chauffage de la couronne solaire sont également menées ailleurs : les sondes spatiales Parker Solar Probe et Solar Orbiter sont sur le point d’acquérir de nouvelles connaissances à courte distance.