Une équipe de chercheurs a découvert que les jets à grande échelle entraînent une forte amplification du champ magnétique, et ils ont intégré cet effet dans un nouveau scénario de dynamo distinct des modèles conventionnels généralement adoptés pour les dynamos planétaires et stellaires. Ces travaux sont particulièrement pertinents pour l'amplification du champ magnétique dans les plasmas, les planètes, les étoiles, les étoiles à neutrons et les disques d'accrétion autour d'objets compacts. Ils publient leur étude dans Nature.
À toutes les échelles où ils sont présents, les champs magnétiques influencent divers phénomènes, notamment la formation des étoiles, le transport des rayons cosmiques, l'accélération des particules chargées, la météo spatiale, le transport dans les atmosphères planétaires ou encore les plasmas de laboratoire.
L'origine des champs magnétiques cosmiques est depuis longtemps un mystère. La production de champs à si grande échelle nécessite de la matière en mouvement, ou des flux de fluides. Les flux à l'échelle cosmique sont alimentés par la gravité et sont généralement turbulents, caractérisés par des changements chaotiques de pression et de vitesse. Cela conduit à des champs magnétiques enchevêtrés et désordonnés qui se concentrent à petite échelle. Cependant, on observe que les champs magnétiques astrophysiques conservent une structure ordonnée, par exemple à l'échelle des galaxies ou au-delà. De plus, les flux et les champs magnétiques à petite échelle sont généralement de magnitude similaire et, surtout, alignés. Cet alignement, qu’on appelle alfvénisation, est intrinsèque aux mouvements des fluides magnétiques (ceux qui conduisent l'électricité et transportent les champs magnétiques) et il se produit naturellement et spontanément. Mais l'alfvénisation élimine presque complètement le mécanisme de dynamo conventionnel qui a été proposé pour l'amplification des champs magnétiques, dans lequel un écoulement turbulent courbe les champs magnétiques initiaux, crée des arcs, puis les tord de manière à former une boucle qui renforce les champs initiaux. En conséquence, la manière dont les champs magnétiques astrophysiques observés sont générés est restée longtemps obscure.
C’est en 1955, que E. N. Parker a paramétré les effets de la turbulence à petite échelle pour proposer une théorie de l’effet dynamo à champ moyen. Cette théorie largement utilisée reproduit les champs à grande échelle observés, mais souffre d'une difficulté à ajuster les paramètres, car ceux-ci ne sont pas justifiés par les principes fondamentaux : les études sur les écoulements turbulents montrent des champs magnétiques enchevêtrés, qui sont pliés et fragmentés en structures à petite échelle en raison de la contrainte de l'écoulement de cisaillement.
Dans leur étude, Bindesh Tripathi (Columbia University) et ses collaborateurs ont considéré un écoulement de cisaillement instable et entraîné, et ils développent une théorie analytique en réalisant des simulations tridimensionnelles avancées de la turbulence avec jusqu'à 4 096 × 4 096 × 8 192 points de grille. Ils peuvent ainsi montrer la génération ab initio de champs magnétiques quasi-périodiques à grande échelle. Les chercheurs observent que cette génération se produit via l'effet de vorticité moyenne, un processus supplémentaire de dynamo à champ moyen qui a été postulé en 1990.
La génération préalable de jets tridimensionnels à grande échelle, produits de manière robuste en tant que solutions non linéaires exactes et protégées topologiquement des équations magnétohydrodynamiques, est cruciale pour cette dynamo. Ce processus de dynamo à jet peut s'appliquer à la fois aux systèmes de laboratoire et aux systèmes astrophysiques à cisaillement. Il s'agit notamment des fusions d'étoiles à neutrons binaires, où l’effet dynamo fonctionne probablement à l'échelle de la microseconde pour produire en quelques millisecondes certains des champs magnétiques les plus puissants de l'Univers.
Tripathi et ses collaborateurs ont réalisé des simulations numériques d'écoulement de cisaillement dans un fluide magnétique (c'est-à-dire un écoulement se déplaçant dans des directions opposées, comme dans le cas d'un trafic à double sens). L'écoulement de cisaillement est courant dans la nature et entraîne le plus souvent des instabilités et des turbulences. Ces simulations ont été réalisées sur des périodes prolongées, couvrant des centaines à des milliers de temps de croissance de l'instabilité, ce qui a nécessité des ressources informatiques considérables. Les chercheurs ont utilisé ces modèles pour identifier les processus qui apparaissent naturellement dans la turbulence après de si longues périodes. Ils constatent que certains processus s’avèrent être dominants parmi les interactions complexes lorsqu’on compare le comportement de la simulation avec et sans ces processus. Ils ont également effectué des calculs analytiques pour déterminer les fondements conceptuels de ces processus.
Dans les simulations numériques, l'instabilité du flux de cisaillement produit des mouvements à grande échelle et des structures turbulentes de différentes tailles. Le mouvement à grande échelle, souvent considéré comme principalement bidimensionnel, génère des structures tridimensionnelles, qui créent à leur tour des jets à grande échelle sur de longues périodes. Ces jets sont analogues aux jets-streams, des bandes d'air qui se déplacent rapidement dans l'atmosphère terrestre. Les jets « zonaux » sont à peu près parallèles au flux de cisaillement et génèrent un champ magnétique à grande échelle dont l'énergie correspond à l'énergie cinétique du flux. Bien que l'alfvénisation aille à l'encontre du mécanisme conventionnel proposé pour l'amplification du champ magnétique, elle permet le mécanisme associé à l'instabilité du flux de cisaillement et aux jets zonaux.
Ce mécanisme alternatif de génération de champs magnétiques nécessite un écoulement de cisaillement avec des fluides à grande échelle qui se déplacent à des vitesses distinctes. Et le mécanisme s'avère robuste face aux variations de paramètres qui affectent la gamme d'échelles des mouvements turbulents.
Il se trouve que la fusion d'étoiles à neutrons crée une couche de flux de cisaillement. Et cette couche est maintenue suffisamment longtemps pour permettre au nouveau mécanisme de génération de champ de produire des champs magnétiques potentiellement 1016 à 1017 fois plus puissants que le champ terrestre. Ce mécanisme de génération de champ fonctionnerait également dans le Soleil, qui présente des flux latitudinaux à grande échelle. Les chercheurs notent que d'autres types d'instabilité à grande échelle pourraient produire des écoulements de cisaillement similaires à ceux qui ont généré des champs magnétiques dans leurs simulations.
Pour l’instant, le processus fondamental a été étudié dans un système idéalisé. Pour déterminer si ce processus fonctionne dans un système astrophysique donné, il faut tenir compte d'autres effets qui pourraient être présents. Bien que les simulations aient inclus des plages de paramètres élargies, celles-ci restent en deçà de certaines valeurs extrêmes qui sont observées dans les systèmes astrophysiques.
De plus, cette étude de Tripathi et son équipe offre une explication potentielle à une mesure de laboratoire déroutante datant de 2012, sur la génération de champs magnétiques par un métal liquide turbulent. Rahbarnia et al. avaient mesuré directement le transport d'un champ magnétique vectoriel par une turbulence isotrope dans un écoulement de sodium liquide à nombre de Reynolds élevé. Ils avaient mesuré la force électromotrice turbulente en mesurant simultanément trois composantes de la vitesse et des champs magnétiques, et calculé les corrélations qui conduisent à la génération d'un courant de champ moyen. Ils en avaient déduit que la force électromotrice turbulente tend à s'opposer et à annuler le courant local, agissant ainsi comme augmentant la résistivité effective du milieu, c'est-à-dire qu'elle agit comme une diffusivité magnétique améliorée, avec des implications importantes pour le transport turbulent dans les objets astrophysiques, en particulier dans les dynamos et les disques d'accrétion.
Mais Tripathi et ses collaborateurs précisent que des études supplémentaires sont nécessaires pour reproduire tous les aspects de cette expérience en appliquant leur nouveau mécanisme de génération. En attendant, les chercheurs prévoient d’intégrer leur mécanisme de génération de champs magnétiques dans des modèles de magnétisme solaire, d'évolution stellaire, de fusion d'étoiles à neutrons et d'accélération de particules, afin de pouvoir comparer les effets prévus avec les observations.
Source
Large-scale dynamos driven by shear-flow-induced jets
B. Tripathi et al.
Nature volume 649 (21 janvier 2026)
https://doi.org/10.1038/
Illustration
1. Evolution à long terme d’une dynamo, montrant des phases de génération turbulente de flux et de champs magnétiques (B. Tripathi et al.).
2. Bindesh Tripathi