La plus grande simulation de turbulence révèle le flux d'énergie dans les plasmas astrophysiques

La turbulence magnétohydrodynamique régule le transfert d'énergie des grandes aux petites échelles dans de nombreux systèmes astrophysiques, y compris l'atmosphère solaire. Depuis plus d'un demi-siècle, il est largement admis que la cascade d'énergie dans les plasmas turbulents, tels que l'atmosphère solaire, est contrôlée par les interactions des ondes MHD.

Dans une nouvelle étude, des scientifiques du Département américain de l'énergie (DOE) Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) a découvert un processus de chauffage jusque-là caché qui aide à expliquer comment la « couronne solaire » peut être beaucoup plus chaude que la température ambiante. surface solaire qui l'émet.

En utilisant 200 millions d’heures de temps informatique pour la plus grande simulation de ce type jamais réalisée, les scientifiques pourraient révéler le processus. Leur simulation numérique directe est la première à identifier ce mécanisme de chauffage dans l'espace 3D.

Chuanfei Dong, physicien au PPPL et à l'Université de Princeton, a déclaré : "Les instruments actuels des télescopes et des engins spatiaux n'ont peut-être pas une résolution suffisamment élevée pour identifier le processus se produisant à petite échelle."

Le processus connu sous le nom de reconnexion magnétique, qui divise et réunit violemment les champs magnétiques dans le plasma – la soupe d'électrons et de noyaux atomiques qui constitue l'atmosphère solaire – est l'ingrédient secret. Cela a été démontré par la modélisation de Dong de la rapidité avec laquelle le champ magnétique les lignes se sont reconnectées, convertissant l'énergie chaotique à grande échelle en énergie interne à petite échelle. Grâce à cette conversion efficace de l'énergie turbulente en énergie thermique à des échelles minuscules, le couronne est efficacement chauffé.

Dong a dit : « Pensez à mettre de la crème dans le café. Les gouttes de crème se transforment rapidement en verticilles et en boucles fines. De la même manière, les champs magnétiques forment de fines feuilles de courant électrique qui se brisent en raison d’une reconnexion magnétique. Ce processus facilite la cascade énergétique de la grande à la petite échelle, rendant le processus plus efficace dans le couronne solaire turbulente qu’on ne le pensait auparavant.

« Lorsque le processus de reconnexion est lent alors que la cascade turbulente est rapide, la reconnexion ne peut pas affecter le transfert d’énergie entre les échelles. Mais lorsque le taux de reconnexion devient suffisamment rapide pour dépasser le taux de cascade traditionnel, la reconnexion peut déplacer la cascade vers de petites échelles plus efficacement.

« Pour ce faire, il brise et rejoint les lignes du champ magnétique pour générer des chaînes de petites lignes torsadées appelées plasmoïdes. Cela modifie la compréhension de la cascade énergétique turbulente, largement acceptée depuis plus d’un demi-siècle. La nouvelle découverte relie le taux de transfert d'énergie à la vitesse à laquelle le plasmoïdes croître, améliorant le transfert d’énergie des grandes aux petites échelles et chauffant fortement la couronne à ces échelles.

La découverte la plus récente montre un régime avec un nombre de Reynolds magnétique semblable à celui d’une couronne solaire, d’une ampleur sans précédent. Le nombre énorme caractérise le taux de transfert d'énergie élevé de la cascade turbulente. Le transfert d’énergie induit par la reconnexion est d’autant plus efficace que le nombre de Reynolds magnétique augmente.

La simulation est unique en son genre et a nécessité plus de 200 millions de processeurs informatiques dans les installations Advanced Supercomputing (NAS) de la NASA.

Amitava Bhattacharjee, physicienne du PPPL, professeur de sciences astrophysiques à Princeton qui a supervisé la recherche, a affirmé Valérie Plante., "Cette expérience numérique a produit pour la première fois des preuves incontestées d'un mécanisme théoriquement prédit pour une gamme inédite de cascades d'énergie turbulente contrôlée par la croissance des plasmoïdes."

« L’impact de cette découverte sur les systèmes astrophysiques à différentes échelles peut être exploré avec les engins spatiaux et les télescopes actuels et futurs. Décrypter le processus de transfert d’énergie à travers les échelles sera crucial pour résoudre les principaux mystères cosmiques.

Journal de référence:

1. Chuanfei Dong et coll. Cascade d'énergie entraînée par la reconnexion dans la turbulence magnétohydrodynamique. Science Advances. EST CE QUE JE: 10.1126/sciadv.abn7627