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Paris, 17 octobre 2014

La formation des jets stellaires à grande échelle enfin expliquée

Grâce à un dispositif expérimental breveté et à des simulations numériques de grande ampleur, des chercheurs sont parvenus à expliquer la formation des jets émis par les jeunes étoiles, et ce, en très bon accord avec les observations astrophysiques. Ce modèle, qui fait intervenir le champ magnétique interstellaire, a été élaboré par une collaboration internationale1 menée par des équipes françaises du Laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses (LULI, CNRS/École Polytechnique/UPMC/CEA), du Laboratoire d'études du rayonnement et de la matière en astrophysique et atmosphères (LERMA, Observatoire de Paris/CNRS/UPMC/Université de Cergy-Pontoise/ENS Paris) et du Laboratoire national des champs magnétiques intenses (LNCMI, CNRS). Leurs travaux sont publiés dans la revue Science le 17 octobre 2014.

Les jets astrophysiques sont d'étroits pinceaux de matière qui peuvent se propager sur de grandes distances (des centaines de fois la distance Terre-Soleil). Ils sont omniprésents dans l'Univers, émergeant d'objets célestes aussi variés que les étoiles en formation, les naines blanches, les étoiles à neutrons, ou les trous noirs, dont le point commun est d'amasser activement de la matière depuis leur proche environnement, via un disque de matière en rotation. Bien que spectaculaires, les jets ont longtemps été considérés comme de simples sous-produits de ce processus d'accrétion de matière. Toutefois, les physiciens ont peu à peu réalisé qu'ils jouent en réalité un rôle crucial dans ce phénomène. Par exemple, les jets qui s'échappent des pôles d'une étoile naissante ralentissent la rotation du gaz en train de s'effondrer sur le noyau central, permettant à la matière de continuer à s'agréger. Par ailleurs, leur action sur le milieu interstellaire peut y faire naître de nouvelles étoiles. Cependant, malgré leur importance, les jets restent parmi les phénomènes les plus mystérieux de l'astronomie moderne. En particulier, les théories actuelles ont du mal à expliquer comment la matière peut se propager sur de si longues distances tout en restant confinée en un jet étroit.

Grâce à la première simulation de ce phénomène en laboratoire, et à des modélisations numériques en trois dimensions, les chercheurs ont compris que les jets émis par les très jeunes étoiles sont confinés par un champ magnétique à large échelle, qui est aligné avec l'axe des jets, comme l'ont récemment précisé des mesures par télescope. Le mécanisme que les chercheurs proposent est donc en très bon accord avec les observations astrophysiques actuelles. Il rend compte notamment de mystérieuses émissions de rayons X observées par le satellite Chandra le long des jets.

Des lasers et des bobines pour reproduire l'environnement interstellaire

Ces résultats ont été rendus possibles par un dispositif expérimental unique, récemment breveté, couplant lasers de puissance et champs magnétiques intenses. En arrachant des électrons à un échantillon de plastique à l'aide de faisceaux laser, les physiciens du LULI ont produit un plasma2 représentatif, à échelle réduite, de l'atmosphère des jeunes étoiles. Mais ce qui a été déterminant, c'est la génération, par des bobines fabriquées au LNCMI, d'un champ magnétique assez intense pour reproduire, dans quelques centimètres cubes et pendant quelques millionièmes de secondes, l'environnement interstellaire. Des physiciens du LERMA et du LULI, aidés par des collaborateurs étrangers, ont ensuite modélisé, au moyen de supercalculateurs, de jeunes étoiles en formation et l'expérience en laboratoire. L'accord entre ces deux simulations a confirmé le rôle clé du champ magnétique interstellaire.

Dans cette étude, les scientifiques se sont penchés spécifiquement sur les jets de plasma des étoiles naissantes, mais le même mécanisme pourrait être à l'œuvre dans les autres types de jets astrophysiques. En outre, ce travail ouvre la voie pour étudier, de manière concrète, le 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 cosmiques3 et les arches de plasma éjectées lors des éruptions solaires. Enfin, le dispositif construit au LULI pourrait servir aux recherches sur la fusion nucléaire, où les champs magnétiques sont évoqués depuis longtemps pour pouvoir confiner les ions au sein d'un combustible et augmenter leur température, ce qui est le paramètre clé pour parvenir à la fusion.

dispositif exp

© Julien Fuchs / LULI

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.




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© NASA, A. Watson (Universidad Nacional Autonoma de Mexico), K. Stapelfeldt (JPL), J. Krist, C. Burrows (ESA/ STScI)

Des jets bipolaires émis par l'étoile en formation HH30, située au centre d'un disque d'accrétion qui l'alimente en gaz.




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© Andréa Ciardi / LERMA

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.




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© NASA, ESA, P. Hartigan (Rice University)

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.




Ces images sont disponibles à la photothèque du CNRS, phototheque@cnrs.fr.

Notes :

1 Ce travail a mobilisé des scientifiques de France, d'Italie, d'Allemagne, du Royaume-Uni, de Russie, du Japon, des Etats-Unis et du Canada.
2 Un plasma est un gaz ionisé, composé d'ions et d'électrons libres.
3 Le rayonnement cosmique désigne un flux de particules chargées de très haute énergie en provenance de l'espace, dont on ignore toujours l'origine exacte.

Références :

Laboratory formation of a scaled protostellar jet by coaligned poloidal magnetic field, B. Albertazzi, A. Ciardi, M. Nakatsutsumi, T. Vinci, J. Béard, R. Bonito, J. Billette, M. Borghesi, Z. Burkley, S. N. Chen, T. E. Cowan, T. Herrmannsdörfer, D. P. Higginson, F. Kroll, S. A. Pikuz, K. Naughton, L. Romagnani, C. Riconda, G. Revet, R. Riquier, H.-P. Schlenvoigt, I. Yu. Skobelev, A.Ya. Faenov, A. Soloviev, M. Huarte-Espinosa, A. Frank, O. Portugall, H. Pépin, J. Fuchs. Science, 17 octobre 2014.
DOI: 10.1126/science.1259694. Lien : Consulter le site web

Contacts :

Chercheur CNRS l Julien Fuchs l T 01 69 33 54 07 l julien.fuchs@polytechnique.edu
Presse CNRS l Véronique Etienne l T 01 44 96 51 37 l veronique.etienne@cnrs-dir.fr


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