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La reconnexion magnétique
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La reconnexion magnétique est un phénomène plasma universel et important. Nous pensons aujourd’hui qu’il est à l’origine de nombreux phénomènes éruptifs et explosifs dans le système solaire ainsi que dans des environnements astrophysiques plus lointains.
Chercheurs LPP :
G. Aulanier, N. Aunai, G. Belmont, P. Canu, O. Le Contel, S. Masson, E. Pariat, A. Retino, R. Smets
Sélection de publications
- N. Aunai, G. Belmont, and R. Smets, Proton acceleration in antiparallel collisionless magnetic reconnection : Kinetic mechanisms behind the fluid dynamics, J. Geophys. Res., 116(A), 09232, 2011.
- N. Aunai, A. Retino, G. Belmont, R. Smets, B. Lavraud and A. Vaivads, The proton pressure tensor as a new proxy of the proton decoupling region in collisionless magnetic reconnection, Ann. Geophys., 29, 1571–1579, 2011.
Qu’est-ce que la reconnexion ?
Elle se produit au sein de couches de courant électrique, formées lors de l’interaction d’environnements plasmas au sein desquels le champ magnétique a des orientations différentes. Lorsque ces couches s’affinent au point d’atteindre une échelle dissipative, les lignes de champ magnétique peuvent changer leur connectivité, qui autrement doit être conservée. Le processus est illustré sur la figure 1.
- Figure 1
- De gauche à droite, on peut voir les lignes de champ magnétique (lignes noires) et le plasma (particules colorées) interagir et changer leur connectivité. Les particules vertes, auparavant connectées magnétiquement, deviennent alors magnétiquement disjointes, et reconnectées aux particules violettes. A l’instar d’un élastique, les lignes de champ magnétique se détendent et libèrent l’énergie précédemment accumulée dans le système en accélérant et chauffant le plasma.
La reconnexion dans l’équipe plasmas spatiaux du LPP :
- Figure 2
- Représentation du système Soleil-Terre (et plus généralement Etoile-Planète). En bas sont représentés de gauche à droite, le pulsar central de la nébuleuse du crabe, une vue d’artiste de Magnétar, et la région du trou noir central de notre voie lactée, qui sont autant d’environnements astrophysique où la reconnexion pourrait jouer un rôle crucial dans l’accélération de particules très énergétiques.
Comme on le voit sur la figure 2, le vent de plasma soufflé par le Soleil s’écoule dans le milieu interplanétaire et interagit avec les magnétosphères. La reconnexion joue un rôle important à toutes les étapes de ce parcours : déclenchement des éruptions solaire, peut affecter la propagation dans l’espace des éjections de masse coronale, contrôle la façon dont ces structures interagissent avec la magnétosphère, et enfin accélère et chauffe le plasma dans la queue magnétosphérique.
Au sein du LPP, nous étudions essentiellement ce processus lorsqu’il se déroule dans le système solaire, le seul environnement à la portée de nos missions spatiales. Nous analysons les données mesurées in situ par des satellites dans le milieu interplanétaire et dans la magnétosphère terrestre. Ces environnements constituent un véritable laboratoire d’étude de la reconnexion, dont nous pouvons extrapoler certains comportements aux environnements astrophysiques inaccessibles, ou encore comparer à des phénomènes de laboratoire se produisant dans les dispositifs à confinement magnétique tels que les Tokamaks.
Entre autres acquises par les missions Cluster, Themis et Magnetospheric MultiScale (MMS), les données in situ nous informent sur les mécanismes microphysiques et non-collisionnels qui gouvernent la reconnexion, l’accélération et le chauffage du plasma.
- Figure 3
- Exemple de signatures associées à un événement de reconnexion magnétique mesuré par Cluster à la magnétopause terrestre.
De façon conjointe aux observations satellites, nous étudions les mécanismes gouvernant l’évolution de la reconnexion et son impact sur son environnement via la simulation numérique.
Selon l’échelle considérée, nous utilisons des codes aux approximations différentes. Certains codes traitent le plasma comme un fluide, d’autres comme un ensemble de particules, et d’autres encore sont hybrides et traitent les ions comme des particules et les électrons comme un fluide. Les simulations permettent, de façon complémentaire aux observations, d’isoler certains mécanismes physiques dans un cadre simplifié et reproductible.
- A propos de reconnexion ... (figures issues de simulations hybride, full-PIC et particule-test). Source : N. Aunai.
Exemples de questions abordées au LPP :
– Quel est l’impact de l’environnement plasma imposé à grande échelle (asymétries, géométrie etc.) sur le processus de reconnexion ? Par exemples, quelles sont les différences entre la reconnexion à la magnétopause et dans la queue magnétosphérique ?
– Quelles sont les régions critiques où le plasma ne peut être assimilé à un fluide mais doit être traité de façon particulaire ? Quels sont les mécanismes de chauffage et d’accélération des particules ? Comment réconcilier le point de vue particulaire et le point de vue fluide (moyen) ?
– Quel est le lien entre la reconnexion et la turbulence ? La reconnexion est-elle une source de turbulence, et dans quelle mesure participe-t-elle à la dissipation de l’énergie aux petites échelles ?
D’autres questions sont abordées par les chercheurs qui travaillent sur les expériences de laboratoire : la reconnexion par LASER et les applications à la physique des hautes densités d’énergie, le déclenchement des dents de scie dans les Tokamaks.
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