Vent solaire : l'énigme de la loi de Kolmogorov est résolue

Le plasma est omniprésent dans notre Univers. Il était là avant la recombinaison dans l'Univers primordial. Il est toujours là aujourd'hui au niveau des amas de galaxies et dans le milieu interstellaire. Plus proche de nous, il constitue le Soleil et il parcourt les espaces interplanétaires dans le système solaire pour entrer en collision avec les magnétosphèresmagnétosphères des planètes comme celles de la Terre et de JupiterJupiter.

Même si l'on sait beaucoup de choses sur la physiquephysique des plasmas, ce n'est certainement rien en comparaison de ce qu'il nous reste à en apprendre. Il ne s'agit pas de questions simplement académiques concernant sa description à partir des équationséquations de la magnétohydrodynamique et de la théorie cinétique des gazgaz. La compréhension profonde de la physique des plasma est vitale pour l'avenir de l'humanité car c'est d'elle que viendra la clé qui ouvrira l'accès à la fusionfusion thermonucléaire contrôlée, dans un avenir que l'on espère le plus proche possible, avec le programme Iter.

Malheureusement, comme tous les fluides, le comportement des plasmas est régi par des équations non linéaires, des phénomènes chaotiques. Encore plus que dans le cas des fluides neutres, les effets de la turbulence y sont difficiles à analyser bien qu'ils y soient pourtant cruciaux. Les plus grands théoriciens de la physique et les plus grands mathématiciensmathématiciens se sont penchés sur la turbulenceturbulence. Parmi eux, on compte le mathématicien de génie qu'était Andrei Kolmogorov.

Il faut prendre en compte le chaos...

C'est ainsi qu'il a établi une loi décrivant comment les transferts d'énergieénergie dans un fluide se font par cascades entre des tourbillonstourbillons d'échelles de plus en plus petites. Ces transferts sont reliés à une loi de puissance dont l'exposant devait être de 5/3 selon les conclusions des travaux effectués en 1941 par Kolmogorov.

Or, il y a une trentaine d'années, alors que l'une des sondes Voyager s'élançait pour son grand tour du système solaire, elle commençait à analyser le plasma interplanétaire. A la surprise des astrophysiciensastrophysiciens, le spectrespectre en énergie des ondes du vent solairevent solaire turbulent ne satisfaisait pas à la loi de Kolmogorov.

L'exposant était de 7/3, ce qui se traduisait par une augmentation de 40% du taux de transfert de l'énergie entre les particules chaudes et les particules froides du plasma. Par la suite, d'autres sondes permirent de confirmer les observations de Voyager.

Une fois plus, la nature non linéaire de la mécanique des fluides produisait des phénomènes qui échappaient à la sagacité de l'esprit humain comme Feynman, Heisenberg et Chandrasekhar en avaient fait douloureusement l'expérience.

Cela vient de changer grâce à des simulations numériquessimulations numériques en 3D réalisées par Padma Kant Shukla et Dastgeer Shaikh respectivement professeur à l'université de Bochum en Allemagne et celle de Hunstville dans l'Alabama (Etats-Unis).

La pleine prise en compte de certains effets non linéaires montre alors que les atomesatomes et les ionsions chauds du plasma se comportent comme ceux d'un plat mis au four à micro-ondesfour à micro-ondes en pompant efficacement de l'énergie. On retrouve alors la loi observée avec un exposant en 7/3.

Ce résultat est intéressant à plus d'un titre. En plus de donner une explication à une vieille énigme du système solaire, il pourrait contribuer à mieux comprendre des phénomènes à l'échelle de la Galaxie. Malgré les mécanismes d'accélération des rayons cosmiquesrayons cosmiques proposés par Enrico FermiEnrico Fermi, on ne comprend toujours pas très bien comment certains d'entre eux peuvent être aussi énergétiques.