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Des « étoiles de laboratoire », une innovation en astrophysique

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Marie Pinhas-Diena, responsable de la communication scientifique l T. 01 44 27 22 89 l M. marie.pinhas@upmc.fr

Des « étoiles de laboratoire », une innovation en astrophysique

Réaliser des expériences d’astrophysique en laboratoire… l’exercice peut paraître utopique si l’on considère l’infinité du cosmos d’un côté et l’exiguïté de la paillasse de l’autre. Et pourtant, des scientifiques y sont parvenus ! Andrea Ciardi, maître de conférences UPMC au laboratoire d'étude du rayonnement et de la matière en astrophysique et atmosphères (LERMA, CNRS/Observatoire de Paris/université de Cergy-Pontoise/UPMC/ENS Paris), présente un dispositif expérimental breveté et des simulations numériques de grande ampleur, qui ont permis d’expliquer la formation des jets émis par les jeunes étoiles.

 

Et brillent les étoiles…

Les étoiles émettent naturellement des photons dans l’espace intersidéral, balayant la quasi-totalité du spectre électromagnétique, des rayons-gamma de hautes énergies jusqu’au domaine radio. Les réactions nucléaires qui se déroulent en leur coeur, dégagent d’importantes quantités d’énergie nécessaires à la synthèse de la plupart des éléments présents dans l’Univers.

 

Simulation de la formation des jets émis par une étoile jeune (au centre). En blanc, les lignes de champ magnétique. En laboratoire, il suffit de 20 nanosecondes pour reproduire la structure qui se forme en 6 ans sur 600 fois la distance Terre-Soleil, de part et d’autre d’une étoile jeune. © Andréa Ciardi/LERMA

 

Les astronomes étudient les galaxies grâce à la lumière émise par les étoiles qu’elles contiennent. Les photons émis, en particulier dans l’ultraviolet, lorsqu’elles sont jeunes et massives, peuvent ioniser et perturber leur environnement. Cet effet combiné aux vents stellaires, aux supernovæ et aux flots bipolaires lancés par les étoiles en formation, est responsable du maintien de la turbulence dans le milieu interstellaire.

 

Les jets stellaires, ces objets plasmas

Un plasma est un gaz ionisé, composé d’ions et d’électrons libres. Les jets stellaires sont d’étroits pinceaux de matière qui se propagent sur des distances astronomiques. Omniprésents dans l'Univers, ils émergent d’objets astrophysiques aussi variés que les étoiles en formation, les naines blanches, les étoiles à neutrons, ou les trous noirs, et qui amassent activement de la matière depuis leur proche environnement.

 

Jet émis par l’étoile en formation HH47, située dans la constellation des Voiles. Ce type de jet de plasma est émis à une vitesse de plusieurs centaines de kilomètres par seconde, et ne subsiste que 100. 000 ans environ. © NASA, ESA, P. Hartigan (Rice University)

 

Bien que spectaculaires, les jets ont longtemps été considérés comme de simples sous-produits du processus d'accrétion de matière. En réalité, ils jouent un rôle crucial lorsque, par exemple, ils s’échappent des pôles d’une étoile naissante, ralentissant la rotation du gaz en train de s'effondrer sur le noyau central. Par ailleurs, leur action sur le milieu interstellaire peut y faire naître de nouvelles étoiles.

 

Les jets restent cependant parmi les phénomènes les plus mystérieux de l'astronomie moderne. Les théories actuelles peinent à expliquer la propagation de la matière sur de si longues distances tout en restant confinée en un jet étroit.

 

Du cosmos au laboratoire…

Les machines de hautes puissances pulsées ont montré leur capacité à réaliser en laboratoire un nombre important d'expérimentations représentatives de ces phénomènes. Ces installations permettent en général de créer des objets de plus grande dimension (par rapport aux expériences laser) ce qui améliore les qualités de résolution et d'observation et la représentativité des phénomènes réels grâce à la présence du champ magnétique comme source motrice dans ces expériences.

 

Le dispositif expérimental utilisé dans cette étude. La structure centrale de cette chambre expérimentale permet d'étudier le couplage laser-matière en présence des forts champs magnétiques et dans le vide. © Julien Fuchs/LULI

 

Récemment, les physiciens ont pu améliorer le dispositif expérimental. En arrachant des électrons à un échantillon de plastique à l’aide de faisceaux laser, ils ont produit un plasma représentatif, à échelle réduite, de l’atmosphère des jeunes étoiles. Des bobines spécialement fabriquées pour l’occasion ont permis de générer un champ magnétique assez intense pour reproduire, dans quelques centimètres cubes et pendant quelques millionièmes de secondes, l’environnement interstellaire. Des physiciens ont ensuite modélisé, au moyen de supercalculateurs, de jeunes étoiles en formation et l’expérience en laboratoire. L’accord entre les deux simulations a confirmé le rôle clef du champ magnétique interstellaire.

 

Ce travail ouvre la voie à l’étude plus concrète du rôle des champs magnétiques en astrophysique. Les chercheurs souhaitent notamment se pencher sur le mécanisme d’accumulation de matière par les jeunes étoiles, les rayons cosmiques et les arches de plasma éjectées lors des éruptions solaires et à utiliser le dispositif pour comprendre les mécanismes intervenant dans la fusion nucléaire.

Pour en savoir plus :

Ce modèle a été élaboré par une collaboration internationale menée par des équipes françaises du laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses (LULI, CNRS/École Polytechnique), du laboratoire d'étude du rayonnement et de la matière en astrophysique et atmosphères (LERMA, CNRS/Observatoire de Paris/UPMC/université de Cergy-Pontoise/ENS Paris) et du laboratoire national des champs magnétiques intenses (LNCMI, CNRS).

 

Laboratoire d'étude du rayonnement et de la matière en astrophysique et atmosphères (LERMA, CNRS/Observatoire de Paris/université de Cergy-Pontoise/UPMC/ENS Paris)Nouvelle fenêtre

 

Laboratoire national des champs magnétiques intenses (LNCMI, CNRS)Nouvelle fenêtre

 

Laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses (LULI, CNRS/École Polytechnique)Nouvelle fenêtre

 



13/01/15