Physique des plasmas physics.plasm-ph

Le faisceau d'une lampe de poche, après avoir traversé une fente étroite, ne reste pas un fin ruban, mais s'étale sur les côtés. La lumière a tendance à contourner les bords des obstacles, et c'est pourquoi le plus petit point lumineux que l'on puisse obtenir avec une lentille ordinaire ne peut être inférieur à la moitié de la longueur d'onde.

Au cœur des étoiles, des noyaux légers fusionnent, donnant naissance à de l'hélium et à des flux de neutrons. Sur Terre, ce processus est reproduit en combinant du deutérium et du tritium, des isotopes particuliers de l'hydrogène.

Un réacteur à fusion ressemble à une immense marmite où l'on « cuit » de l'hélium à partir de hydrogène. Le plasma y est chauffé à 150 millions de degrés — dix fois plus chaud que le cœur du Soleil. Mais comme dans toute marmite, du tartre se forme : des impuretés nocives qui se déposent sur les parois et étouffent le plasma.

Un magnétar est une étoile à neutrons dont le champ magnétique est un million de milliards de fois plus intense que celui de la Terre. Parfois, il éjecte un amas de plasma, semblable à un ballon de baudruche, à l'intérieur duquel s'agitent des milliers de ressorts invisibles.

Dans chaque cuisine, il y a une bouilloire, mais peu de gens infusent leurs herbes avec de l'eau qui vient de subir une décharge électrique. C'est pourtant ce qu'ont fait des chercheurs avec des feuilles de neem et de tulsi, des plantes utilisées en Inde depuis des siècles comme remèdes naturels.

Un faisceau d'ions lourds dans un accélérateur ressemble à une foule qui se pousse des coudes : plus il y a de monde, plus la foule s'élargit. Les particules chargées se repoussent, et au-delà de quelques microampères, le faisceau s'étale et perd sa forme.

Une nouvelle étude le confirme : les ondes de choc dans le plasma autour des trous noirs supermassifs au centre des galaxies agissent comme des vagues océaniques qui propulsent les protons à des vitesses proches de celle de la lumière. Même une vague faible leur cède un dixième de son énergie — comme une petite houle qui enverrait un surfeur dans l'espace.

Dans un gaz brûlant de particules chargées — le plasma — les champs électriques chaotiques agissent comme un tamis. Une particule lente s'entoure d'un nuage de charges opposées qui neutralise le champ externe. Une particule rapide, elle, perd cette armure et se fait accélérer.

Sur le Soleil, de brèves éjections de plasma se produisent sans cesse : ce sont les nano-jets. De la taille d'une petite ville, ils filent à des centaines de kilomètres par seconde et disparaissent en moins d'une demi-minute. Chaque éruption est comme une minuscule explosion qui projette du gaz brûlant vers le haut.

L'eau dans un verre se calme dès qu'on cesse de la remuer. L'huile dans un moteur amortit les vibrations. On croirait que la viscosité rime toujours avec atténuation. Mais dans certains écoulements, c'est tout le contraire : ajoutez du frottement, et les ondes se mettent à enfler, comme surgies de nulle part.

Le gaz incandescent qui s'écoule du Soleil n'est pas un flux continu, mais plutôt une soupe de particules chargées. Dans cette soupe, des vagues ne cessent de bouillonner : les champs électriques s'embrasent et s'éteignent, comme les rides sur l'eau après qu'on y a jeté une pierre. L'une de ces vagues est l'onde acoustique ion-ion.

Allumer un soleil miniature est un vieux rêve de l'humanité. En général, les scientifiques tentent de confiner un plasma brûlant (un gaz de particules chargées) à des températures de plusieurs centaines de millions de degrés.

Une graine de blé ressemble à un voyageur endormi dans un sol froid : pour se réveiller, il lui faut une pluie tiède. Des scientifiques indiens ont trouvé un moyen de la réveiller sans produits chimiques — grâce au plasma froid, celui-là même qui brille dans les tubes néon. Le plasma est un gaz dans lequel une partie des atomes a perdu des électrons.

À l'intérieur d'un tokamak — cet immense beignet magnétique — le plasma est chauffé à des centaines de millions de degrés. Il ne touche pas les parois, mais flotte dans le vide, maintenu par des champs magnétiques invisibles. Mais le plasma est capricieux : un léger changement de courant ou de pression, et sa forme se déforme, comme de la gelée sur une assiette.

Un réacteur à fusion, c'est un peu comme un orchestre : le plasma joue la mélodie et les bobines magnétiques sont les musiciens. Si un instrument joue faux, toute la symphonie s'effondre.

Le Soleil émet en permanence un flux de particules chargées, principalement de l'hydrogène — le vent solaire. Parfois, le Soleil éjecte des nuages denses de gaz magnétisé, à l'intérieur desquels règne généralement un calme plat.

Le plasma dans un réacteur de fusion, c'est comme un essaim de lucioles qu'il faut retenir dans un bocal invisible. On pensait autrefois que les parois du bocal devaient être parfaitement lisses, sinon les lucioles trouveraient une fissure et s'envoleraient.

Un réacteur à fusion, c'est tenter de retenir un petit soleil dans une cage magnétique. Pour qu'il produise plus d'énergie, il faut comprimer le plasma davantage. Mais les tokamaks ont une clôture invisible : dès que la densité franchit un certain seuil, le plasma tressaille et se désagrège.

Une courte impulsion laser frappe l'air — et à l'endroit de l'impact, un éclair minuscule s'embrase. Il vit plus longtemps qu'on ne le croit : la lueur brillante est encore visible pendant une demi-milliseconde, et la lueur faible pendant près de vingt millisecondes.

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 le flux de particules chargées qui souffle en continu depuis le Soleil, il arrive que des sursauts radio apparaissent — de brefs signaux puissants sur une fréquence que l'on peut capter avec un récepteur radio ordinaire. Jusqu'à présent, on ignorait comment ces signaux naissaient précisément dans ce flux.

Le plasma chaud, c'est comme une nuée de lucioles rapides qui s'agitent dans un bocal. Le retenir dans un piège magnétique ouvert, c'est comme essayer d'empêcher les lucioles de toucher les parois. Un nouveau modèle informatique montre comment faire plus précisément.

Le plasma chaud dans un futur réacteur de fusion ressemble à une piste de danse surpeuplée : des milliards de particules tourbillonnent dans un rythme complexe, se heurtant et changeant de vitesse. Comprendre à quel point cette danse est enchevêtrée n'est pas une mince affaire.

Le plasma est un gaz si chauffé que les électrons se détachent des atomes. Des ondes similaires au son dans l'air s'y propagent, mais elles sont gouvernées par le champ magnétique. Si le champ magnétique devient non uniforme, mais périodique — comme une clôture avec des planches alternées — les ondes se comportent différemment.

Le laser frappe la cible — et un nuage de plasma s'élance dans la chambre, propulsé à des centaines de kilomètres par seconde. Autour, ce n'est pas le vide : la chambre est remplie d'un gaz raréfié qui joue le rôle du milieu interstellaire. Le plasma s'y enfonce comme un hors-bord dans une eau calme, repoussant le gaz devant lui.

Une éruption solaire, c'est comme un coup de tonnerre dans un ciel serein : une brève mais puissante libération d'énergie. Le radiotélescope MeerKAT, en Afrique du Sud, a capté une telle éruption de classe M1.3 et l'a examinée avec une netteté sans précédent. Les instruments habituels voient soit les détails brillants, soit les faibles, mais pas les deux à la fois.

Dans un tokamak, le plasma est comme une foule dans une rue étroite : dès que quelqu'un se met à courir, tout le monde s'emballe d'un coup. Dans un stellarator à section non circulaire, la rue est sinueuse, avec des impasses et des recoins. La foule ne peut pas se rassembler en une seule vague — les gens restent coincés dans différents coins.

Une impulsion laser qui traverse un plasma est comme un coureur qui se fraye un chemin dans la foule. Il repousse les électrons, laissant derrière lui un canal raréfié, un peu comme la foule s'écarte devant un sprinteur.

Le 10 octobre 2024. Le Soleil a éjecté en direction de la Terre un nuage de plasma magnétisé — et quatre engins spatiaux, stationnés en un même point entre le Soleil et la Terre, ont enregistré simultanément les bouillonnements de ce nuage.

Le plasma est un gaz dans lequel les électrons sont arrachés aux atomes, et il conduit l'électricité. Dans l'espace, ce gaz est souvent si dilué que les particules ne se heurtent presque jamais, et son comportement est décrit par les équations du mouvement de chaque particule.

Le Soleil émet en permanence un flux de particules chargées : le vent solaire. Parmi elles, beaucoup d'électrons, et une partie d'entre eux repart vers le Soleil. Mais les observations montrent qu'il en revient moins que prévu.

Le radiotélescope capte un signal de la nébuleuse du Crabe — et sur l'écran, au lieu d'une ligne régulière, apparaissent des bandes claires et sombres, comme sur la peau d'un zèbre. C'est l'émission du pulsar, une étoile à neutrons en rotation rapide, vestige d'une explosion de supernova.

Le plasma n'est pas simplement un gaz chaud, mais un mélange de particules chargées qui se déplacent constamment et créent des champs magnétiques. Lorsque le plasma bouillonne, ces champs s'entremêlent comme des spaghettis dans une casserole d'eau bouillante.

Les sources modernes de rayons X ressemblent à un orchestre sans chef : les électrons du faisceau volent chacun de son côté, et le rayonnement qui en résulte est flou. La nouvelle idée est de faire en sorte que les électrons s'alignent en rangées régulières avec un pas de quelques nanomètres. Ainsi, la lumière qu'ils émettent devient cohérente, comme un faisceau laser.

Avant chaque lancement d'un tokamak — l'installation où un gaz surchauffé est maintenu par un champ magnétique — les opérateurs passent des heures à calculer comment le plasma se comportera. L'erreur coûte trop cher : un seul paramètre incorrect peut faire échouer l'expérience.

À l'intérieur du futur réacteur à fusion, un aimant aussi lourd qu'une petite voiture flottera en lévitation. Il maintient le plasma surchauffé comme une main invisible tient un nuage. Autrefois, un tel aimant était jugé inadapté au combustible deutérium-tritium : les flux de neutrons le détruisaient rapidement.

L'onde de choc frappe la surface, qui se plisse comme un tapis qu'on aurait froissé d'un coup sec. Ces plis s'amplifient, s'enroulent en tourbillons et mélangent tout autour. En fusion nucléaire, ce mélange est un vrai fléau : le combustible ne se comprime pas uniformément et la réaction s'étouffe.

Une rivière tranquille qui se met soudainement à bouillonner sans raison apparente : c'est l'énigme qu'ont explorée les auteurs de cette nouvelle étude. Ils ont pris une fine couche de gaz chargé avec un champ magnétique très faible et ont suivi sur ordinateur ce qui lui arrive. Au début, tout s'écoule régulièrement, comme l'eau d'un robinet.

Dans un plasma où une partie des atomes reste neutre, les lignes de champ magnétique peuvent se réorganiser à des vitesses variables. C'est un peu comme deux élastiques qui, d'abord entrelacés, se détachent soudainement et se contractent, libérant de l'énergie.

Chaque fois que du deutérium et du tritium fusionnent dans un réacteur à fusion, un neutron rapide est émis. Il peut transformer certaines substances en d'autres, par exemple créer des isotopes précieux pour la médecine. Aujourd'hui, ces neutrons coûtent une fortune, car il existe peu d'installations expérimentales et elles fonctionnent rarement.