Des lasers pour comprendre des instabilités magnétiques en astrophysique

Radiographie ionique de l’instabilité de Weibel : des protons accélérés par interaction laser-plasma dans une première cible (gauche) traversent une seconde cible, elle-même irradiée par un autre faisceau laser (milieu et encadré). L’instabilité de Weibel qui y est induite par les électrons énergétiques (trajectoires bleues dans l’encadré) engendre des fluctuations magnétiques qui dévient les protons sur une série de films sensibles (droite), produisant une image des structures magnétiques obtenues (crédit : David Tordeux).

L’équipe de recherche de Julien Fuchs au Laboratoire pour l’utilisation des lasers intenses (LULI*) a mesuré les champs magnétiques produits par des instabilités dites de Weibel au sein d’un plasma soumis à un intense faisceau laser. Ces instabilités prédites par la théorie depuis plus de 50 ans engendrent une turbulence magnétique qui, dans des milieux astrophysiques, pourrait causer l’accélération des rayons cosmiques et l’émission de photons gamma dans les fameux « sursauts gamma ». En travaillant sur l’interprétation de leurs résultats avec Laurent Gremillet et Charles Ruyer du Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), ils ont pu démontrer que ces instabilités peuvent croître sur une distance bien plus grande qu’anticipée par d’autres expériences sur le sujet.

Leurs travaux ont été publiés dans Nature Physics.

Des plasmas instables

Etoiles, nébuleuses, milieux interplanétaires, interstellaires ou intergalactiques, les plasmas constituent la quasi-totalité de l’univers visible. Ces gaz ionisés au sein desquels les électrons et les noyaux des atomes sont dissociés sous l’effet de la chaleur sont soumis à des perturbations liées à leur environnement, mais peuvent également abriter des ondes électromagnétiques auto-amplifiés appelées instabilités. Certaines d’entre elles, dites de Weibel, se développent quand le plasma présente une direction privilégiée le long de laquelle les particules sont plus rapides. Les particules, électrons ou ions, sujettes à ces instabilités sont comme des coureurs lancés à grande vitesse et liés par des liens invisibles, les champs électromagnétiques. Ces liens modifient légèrement les trajectoires de chaque coureur, modifications qui ralentissent ou dévient les  coureurs, désorganisant l’ensemble du peloton tout en le fragmentant en paquets. Il en résulte globalement une perte d'énergie pour les particules et une intensification des champs électromagnétiques.

Comprendre les instabilités

Pour mieux comprendre ce phénomène, Julien Fuchs et ses collaborateurs ont réalisé des expériences au Lawrence Livermore National Laboratory (USA) en faisant appel à une technique mise au point au LULI depuis une dizaine d’années : en produisant un faisceau de protons par un premier faisceau laser, ils sont sondé les champs magnétiques créés dans une cible irradiée par un second faisceau. La formation de structures magnétiques quasi périodiques, jusqu’à des amplitudes de plusieurs Teslas, a ainsi été révélée à des échelles insoupçonnées. Leur interprétation par les physiciens du CEA a ensuite nécessité plusieurs années d’effort, combinant modélisation théorique et simulations numériques de pointe. Ce faisant, deux variantes de l’instabilité de Weibel ont été mises en évidence selon la région du plasma – son cœur dense ou ses surfaces se détendant vers le vide – traversé par les électrons énergétiques, chacune de ces instabilités donnant lieu à une configuration spatiale distincte.

Si l’analyse de l’expérience a été si longue, c’est parce que les capacités de calcul actuelles sont encore insuffisantes pour la simuler en trois dimensions, tout en décrivant l’ensemble des processus sous-jacents, et prendre ainsi le relais de la théorie nécessairement simplifiée. Mais cela montre en retour tout l’intérêt des lasers à ultra-haute intensité pour reproduire et caractériser ces phénomènes complexes, d’intérêt fondamental comme astrophysique. La mise en service imminente de l’installation Apollon devrait permettre aux chercheurs d’atteindre des conditions physiques plus extrêmes encore, les rapprochant un peu plus des phénomènes astrophysiques visés.

> Lire l’article complet dans Nature Physics

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*LULI, une UMR CNRS-École polytechnique-CEA-Sorbonne Université