dynamo magnétique

Un orchestre sans chef : chaque musicien s'accorde sur son voisin, et une mélodie harmonieuse naît ainsi. Dans le monde des aimants microscopiques, le rôle de cet orchestre est tenu par une minuscule bille de néodyme qui flotte au-dessus d'un film supraconducteur.

L'interprète sursaute au moindre bruissement dans la salle, et une réunion d'une heure en dure deux. C'est pareil pour un gyroscope capacitif : pour entendre le déplacement nanométrique de la masse, il lui faut des entrefers parfaitement ajustés entre les plaques. Plus le capteur est petit, plus il est difficile de maintenir cette précision.

Le Soleil respire, et cette respiration a un rythme magnétique. Tous les 27 jours, la surface visible de l'étoile effectue une rotation complète, entraînant avec elle son champ magnétique, telle une bande invisible qui enveloppe l'astre.

Dans un film mince de cobalt et de fer déposé sur un substrat de silicium, un minuscule tourbillon magnétique se forme. Il ne se disperse pas, mais reste en place, comme une goutte d'huile sur une poêle chaude. Mais au lieu de la chaleur, c'est un courant électrique qui le maintient, envoyé à travers un étroit passage large d'une centaine d'atomes.

Le vent solaire est un flux de particules chargées qui s'échappe en permanence de la surface du Soleil et remplit tout le système solaire. Il ne ressemble pas à une brise régulière : il contient des tourbillons, des rafales et des zones de calme.

Dans la couronne solaire, il pleut de temps en temps — mais pas de l'eau, du plasma. Le gaz surchauffé se refroidit, se condense en amas et s'élance vers le bas le long des boucles magnétiques, comme des gouttes sur des gouttières invisibles.

27 jours à l'équateur, 32 aux pôles. Cinq jours de différence — et en un an, l'équateur prend près d'une semaine d'avance. Une boule de gaz de 1,4 million de kilomètres de diamètre tourne comme une toupie multicouche : chaque couche se déplace à sa propre vitesse.

Une branche tombe dans un tourbillon. Elle est emportée et brisée, mais parfois un puissant jet d'eau jaillit du centre. C'est à peu près ainsi qu'un trou noir déchire une étoile qui passe à proximité, et parfois, après cela, un jet de plasma éblouissant jaillit dans l'espace — le jet.

L'énigme de la vallée du rayon — cette chute brutale du nombre d'exoplanètes d'environ 1,8 rayon terrestre — hante les astronomes.

À l'intérieur des planètes et des étoiles, dans les océans de plasma en rotation, se heurtent flux turbulents, forces de Coriolis et tension magnétique. Le grand mystère est de savoir comment l'énergie de ce chaos se cristallise en une charpente magnétique stable, capable de perdurer des milliards d'années.

Dans les immenses nuages de gaz ténu qui emplissent l'espace entre les étoiles, ça bouillonne en permanence. Explosions de supernovae, flux en collision : tout cela secoue le plasma. Et dans ces ondulations, comme on l'a découvert, se cache un mécanisme de naissance des champs magnétiques.

Depuis près d'un siècle, la sismologie reste le principal « rayon X » de la planète, sondant les profondeurs par le biais des ondes élastiques. Mais les neutrinos — ces particules fantômes prédites par Wolfgang Pauli — offrent un autre regard.

Lorsque les physiciens font circuler des électrons dans un canal ultrapur d'arséniure de gallium à des températures hélium, ils s'attendent à voir un liquide docile, presque parfait.

L'espace est parcouru de champs magnétiques. On en trouve autour des galaxies, des étoiles, et même dans les vides cosmiques (les immenses espaces vides entre les amas de galaxies). On considère généralement que ces champs sont amplifiés à partir de champs « germes » faibles grâce à la turbulence, un peu comme une dynamo.

Les rayons cosmiques ne voyagent pas en ligne droite. Les particules chargées, accélérées à des vitesses énormes, serpentent dans le champ magnétique de la Galaxie comme des poussières dans le vent. On considère généralement qu'elles se dispersent simplement le long et à travers les lignes de force.

Le champ magnétique terrestre ressemble à un bouclier invisible qui nous protège des radiations cosmiques. Mais si l'on observe son motif moyen sur une longue période, on remarque que ce bouclier n'est pas parfaitement lisse — il a ses propres « coutures » et « rapiéçages ».

Juste après le Big Bang, le cosmos était un plasma brûlant — un mélange de particules chargées et de lumière.

Une étoile massive s'effondre et naît un trou noir entouré d'un disque de plasma surchauffé. Pour que des jets étroits s'échappent de ce disque, il faut un champ magnétique ordonné. Mais à l'intérieur de l'étoile, il est enchevêtré.

Le champ magnétique dans un plasma évoque un film de savon tendu : la pression interne le gonfle, tandis que la tension superficielle le resserre et lui donne sa forme. Ici, c'est pareil : les forces magnétiques de pression et de tension s'équilibrent.

La cime d'un grand arbre s'agite sous le vent, mais les racines et le tronc restent cachés sous terre. Sur le Soleil, ces racines invisibles sont les champs magnétiques. Ils émergent des profondeurs, traversent toute l'atmosphère et dirigent le mouvement du gaz surchauffé – le plasma.

Dans la couronne solaire surchauffée, où la température dépasse le million de degrés, flottent des nuages froids et denses : les protubérances solaires. Elles restent suspendues pendant des semaines, sans tomber ni se dissoudre, comme des icebergs dans un océan bouillant. Comment sont-elles arrivées là ?

Une cellule qui s'apprête à se diviser commence par marquer sa taille. Sous sa membrane, dans un fin gel de filaments protéiques, un mouvement s'engage. Les filaments coulent comme une rivière lente et, au milieu de la cellule, une ceinture se forme. Cette ceinture se resserre de plus en plus jusqu'à ce que la cellule se divise en deux.

Lorsqu'une étoile massive explose en supernova, ses couches externes sont éjectées dans l'espace à des vitesses de plusieurs milliers de kilomètres par seconde. Une onde de choc se forme — un gigantesque rouleau invisible qui balaie le gaz et la poussière interstellaires comme un bulldozer.

Un flux de gaz incandescent file depuis une étoile — et soudain, il s'étouffe, comme s'il avait heurté un mur invisible. C'est exactement ce que des chercheurs ont observé en tentant de reproduire une éruption stellaire à l'échelle du laboratoire.

Les champs magnétiques à la surface du Soleil se manifestent par des taches sombres et des facules brillantes. Mais ils naissent profondément à l'intérieur, où les flux de gaz incandescent fonctionnent comme une gigantesque dynamo. La question est de savoir si l'on peut, à partir des taches en surface, prédire ce qui se passera à l'intérieur de l'étoile dans quelques années.

À l'intérieur de la Terre se trouve un noyau de fer solide de la taille de la Lune. Il flotte dans du métal liquide et oscille légèrement, comme un noyau de pêche dans le fruit si on le secoue. Ces oscillations sont appelées modes de Slichter : le noyau se déplace tantôt le long de l'axe de la planète, tantôt transversalement.

Le télescope James Webb scrute de plus en plus souvent les exoplanètes — ces mondes qui orbitent autour d'étoiles lointaines. Certaines sont des boules de roche brûlantes, toujours tournées vers leur étoile d'un même côté. Là-bas, la roche fond et forme des océans de lave liquide. Comment cette lave se déplace-t-elle ?

Quand un boulanger pétrit sa pâte, chaque grain de farine peut révéler de quel moulin il vient. Il en va de même pour la Terre : la composition du fer dans ses profondeurs garde la mémoire de l'origine des fragments qui ont formé la planète.

Dans la plupart des matériaux magnétiques, la paroi de domaine — la frontière entre des régions de magnétisation différente — se déplace sous l'effet d'un courant dans une direction donnée par le sens du courant. Mais dans les ferrimagnétiques, près d'un point particulier où les moments angulaires des deux sous-réseaux se compensent, le comportement change.

La couronne du Soleil ressemble à un pissenlit ébouriffé : de brillantes boucles en forme de pétales retiennent le gaz chaud près de la surface, et entre elles, de longs jets ténus s'échappent dans l'espace. Ces jets – la couche de courant héliosphérique – s'étendent à travers tout le système solaire.

L'étoile GJ 504, jumelle de notre Soleil en âge, se comporte comme une patineuse artistique accomplie : elle fait un tour sur elle-même en 3,4 jours, en brillant en rayons X. D'habitude, les étoiles du même âge que le Soleil tournent paresseusement, mais celle-ci semble avoir reçu un dopage cosmique. Le secret a été révélé par la modélisation.

Si l'on jette une pierre dans un étang, des cercles se propagent à la surface. Dans un minuscule cristal magnétique, il y a aussi des ondes — mais ce n'est pas l'eau qui oscille, c'est la direction de l'aimantation. Ces ondes sont appelées ondes de spin. Elles parcourent le cristal comme des rides à la surface et peuvent transporter de l'information.

Sur le Soleil, des explosions se produisent régulièrement, projetant dans l'espace d'immenses nuages de particules chargées. Un tel nuage se dirige vers la Terre et peut endommager les satellites, perturber les communications radio et même priver des villes d'électricité.

Le Soleil n'est pas une sphère paisible, mais un chaudron bouillonnant qui vit selon ses propres rythmes. Environ tous les 11 ans, son activité atteint un pic : davantage de taches sombres apparaissent à sa surface, et des flux de particules chargées s'élancent dans l'espace. Mais à l'intérieur de ce grand cycle se cache un rythme plus court, d'environ 1,7 an.

Une éruption solaire, c'est un peu comme un ressort brusquement détendu. Dans la couronne solaire, l'énergie s'accumule dans un champ magnétique tordu, puis elle est libérée d'un coup, accélérant les particules et chauffant le plasma.

Une jeune étoile est entourée d'un disque plat en rotation composé de gaz et de poussière : c'est le chantier de construction des futures planètes.

Autour des jeunes étoiles, de vastes nuages plats de gaz et de poussière tourbillonnent – c'est de là que naissent les planètes. Pour que la matière d'un tel disque s'agglomère en grumeaux, elle doit être constamment mélangée. Mais qu'est-ce qui agite le gaz de manière chaotique alors qu'il est calme par nature ?

À l'intérieur des planètes géantes, comme Jupiter et Saturne, la chaleur ne monte pas toujours librement. Les éléments lourds, plus abondants dans certaines couches que dans d'autres, empêchent le fluide chaud de remonter. Il se produit alors une semi-convection : un mélange où la chaleur et la composition se propagent à des vitesses différentes.

Le Soleil ne tourne pas comme un corps rigide : son équateur effectue une rotation plus rapide que ses pôles. Cette différence de vitesse de rotation crée des couches qui se déplacent à des vitesses différentes, comme des courants océaniques à différentes profondeurs.