Des champs magnétiques qui se réorganisent tout seuls express
Dans une casserole de soupe bouillante, les petites bulles s'agitent, mais peu à peu les grands courants dominent. Un phénomène similaire se produit dans le plasma cosmique, où les champs magnétiques se comportent comme des fils emmêlés. Dans la turbulence, l'énergie magnétique circule généralement des grandes échelles vers les petites, mais dans un environnement dominé par le magnétisme, c'est l'inverse : l'énergie va des petits tourbillons vers les grands. Cette cascade inverse est restée longtemps inexpliquée, jusqu'à ce qu'on comprenne que la clé réside dans la reconnexion des lignes de champ magnétique.
La reconnexion magnétique est un processus par lequel les lignes de champ magnétique se brisent et se reconnectent immédiatement, libérant de l'énergie. Dans un plasma turbulent, ces ruptures se produisent constamment, comme si les fils d'une pelote se déchiraient et se retissaient sans cesse. Une équipe de scientifiques dirigée par Amitava Bhattacharjee a vérifié dans quelle mesure le modèle de reconnexion décrit l'atténuation de la turbulence magnétique dans différentes conditions : dans des systèmes bidimensionnels, bidimensionnels-tridimensionnels et tridimensionnels, avec et sans hélicité initiale. Il s'avère que le temps d'atténuation de l'énergie magnétique dépend du nombre de Lundquist — un paramètre sans dimension qui indique dans quelle mesure la conductivité du plasma prédomine sur sa viscosité. Cette dépendance correspond aux prédictions du modèle de reconnexion de Sweet-Parker, et non à une simple atténuation résistive ou au temps d'Alfvén.
Les chercheurs ont construit un modèle du spectre de l'énergie magnétique sous la forme d'une fonction de puissance en segments et ont trouvé des prédictions analytiques pour l'évolution de l'énergie à différentes échelles. Des simulations à haute résolution ont confirmé ces prédictions. Dans les cas non turbulents, où l'hélicité est absente, c'est l'anastrophie — une quantité liée au carré du potentiel magnétique — qui joue un rôle dominant, et non les fluctuations d'hélicité. En utilisant les fonctionnelles de Minkowski pour analyser les couches de courant dans l'espace réel, les scientifiques ont découvert que les structures qui contrôlent l'atténuation sont nettement plus petites que l'échelle de corrélation globale du champ magnétique. Cela signifie que les nombres de Lundquist locaux sont bien inférieurs à la valeur du système, et donc que les lois globales d'atténuation sont peu sensibles à la résolution des couches de courant. Ce n'est qu'à une résolution suffisamment élevée que les rapports d'aspect des couches de courant convergent vers les prédictions de Sweet-Parker.
Ces résultats établissent la reconnexion magnétique comme principe organisateur de la cascade inverse, de l'évolution spectrale et de l'atténuation dans la turbulence à dominante magnétique. Ce cadre unifié s'applique à des systèmes de toute dimension et avec toute hélicité, ce qui est directement pertinent pour le plasma astrophysique — des éruptions solaires aux disques d'accrétion autour des trous noirs.
Dans la turbulence à dominante magnétique, l'énergie circule des petits tourbillons vers les grands, comme si les petites vagues d'une piscine se combinaient progressivement en une seule grande vague.
Dans le roman « Solaris » de Stanislas Lem, l'océan de la planète se comporte comme un plasma turbulent, obéissant à des lois non linéaires que les scientifiques tentent encore de comprendre.