Lorsque j’étais à l’école primaire, ma maîtresse m’a dit que la matière existe sous trois états possibles : solide, liquide et gazeux. Elle avait oublié de mentionner le plasma, un type particulier de gaz électrifié qui est un état à part entière.
Nous rencontrons rarement du plasma naturel, à moins d’avoir la chance de voir des aurores boréales, de regarder le Soleil à travers un filtre spécial ou de passer la tête par la fenêtre pendant un orage, comme j’aimais le faire quand j’étais enfant.
Pourtant, le plasma, malgré sa rareté dans notre vie quotidienne, constitue plus de 99 % de la matière observable dans l’Univers (si l’on exclut la matière noire).
La physique des plasmas est un champ d’investigation riche et diversifié, avec ses particularités. Dans certains domaines de la science, la vitalité intellectuelle provient de la beauté des grandes théories et de la recherche de lois sous-jacentes profondes – comme le montre l’explication de la gravité par Albert Einstein dans la relativité générale, ou la tentative des théoriciens des cordes de remplacer le modèle standard des particules subatomiques par de minuscules brins d’énergie oscillants.
L’étude des plasmas bénéficie également de constructions mathématiques remarquablement élégantes, mais contrairement à ses cousins scientifiques, elle a surtout été motivée par ses applications dans le monde réel.
Mais d’abord, comment fabrique-t-on un plasma ?
Imaginez que vous chauffez un récipient rempli de glace et que vous la regardez passer du solide au liquide, puis au gaz. À mesure que la température augmente, les molécules d’eau deviennent plus énergiques et excitables, et se déplacent de plus en plus librement.
Si vous continuez, à environ 12 000 degrés Celsius, les atomes eux-mêmes commenceront à se briser. Les électrons sont arrachés à leur noyau, laissant derrière eux des particules chargées appelées ions qui tourbillonnent dans la soupe d’électrons qui en résulte. C’est l’état de plasma.
Le lien entre le sang et le plasma “physique” est plus qu’une simple coïncidence. En 1927, le chimiste américain Irving Langmuir a observé que la façon dont les plasmas transportaient les électrons, les ions, les molécules et autres impuretés était similaire à celle dont le plasma sanguin transporte les globules rouges, les globules blancs et les germes.
Langmuir a été un pionnier dans l’étude des plasmas ; avec son collègue Lewi Tonks, il a également découvert que les plasmas sont caractérisés par des oscillations rapides de leurs électrons dues au comportement collectif des particules.
Une autre propriété intéressante des plasmas est leur capacité à supporter ce que l’on appelle les ondes hydromagnétiques – des protubérances qui se déplacent dans le plasma le long des lignes de champ magnétique, de la même manière que les vibrations se déplacent le long d’une corde de guitare.
Lorsque Hannes Alfvén, scientifique suédois et futur lauréat du prix Nobel, a proposé l’existence de ces ondes en 1942, la communauté des physiciens était sceptique.
Mais après qu’Alfvén a donné une conférence à l’université de Chicago, le célèbre physicien et membre de la faculté Enrico Fermi est venu le voir pour discuter de la théorie, concédant que : “Bien sûr que de telles ondes peuvent exister ! À partir de ce moment, le consensus scientifique a été qu’Alfvén avait absolument raison.
L’une des principales motivations de la science contemporaine des plasmas est la promesse d’une fusion thermonucléaire contrôlée, où les atomes fusionnent et libèrent des bouffées d’énergie intenses mais gérables. Cela constituerait une source quasi illimitée d’énergie sûre et “verte”, mais la tâche n’est pas aisée.
Avant que la fusion puisse se produire ici sur Terre, le plasma doit être chauffé à plus de 100 millions de degrés Celsius, soit environ 10 fois plus chaud que le centre du Soleil !
Mais ce n’est pas le plus compliqué ; nous avons réussi à atteindre ces températures et au-delà dans les années 1990. Le pire est que le plasma chaud est très instable et n’aime pas rester à un volume fixe, ce qui signifie qu’il est difficile de le contenir et de le rendre utile.
Les tentatives de réaliser une fusion thermonucléaire contrôlée remontent au début des années 1950.
À l’époque, les recherches étaient menées secrètement par les États-Unis ainsi que par l’Union soviétique et la Grande-Bretagne. Aux États-Unis, l’université de Princeton a été le pivot de ces recherches.
Le physicien Lyman Spitzer y a lancé le projet Matterhorn, dans le cadre duquel une coterie secrète de scientifiques a tenté de déclencher et de contenir la fusion dans un dispositif en forme de 8 appelé “stellarator”.
Ils n’avaient pas d’ordinateurs et devaient se contenter de calculs au stylo et au crayon. Bien qu’ils n’aient pas résolu l’énigme, ils ont fini par développer le “principe d’énergie”, qui reste une méthode puissante pour tester la stabilité idéale d’un plasma.
Pendant ce temps, les scientifiques de l’Union soviétique développaient un autre dispositif : le “tokamak”. Cette machine, conçue par les physiciens Andrei Sakharov et Igor Tamm, utilise un champ magnétique puissant pour canaliser le plasma chaud et lui donner la forme d’un beignet.
Le tokamak était plus performant pour maintenir le plasma chaud et stable, et à ce jour, la plupart des programmes de recherche sur la fusion reposent sur une conception de tokamak. À cette fin, un consortium composé de la Chine, de l’Union européenne, de l’Inde, du Japon, de la Corée, de la Russie et des États-Unis s’est associé pour construire le plus grand réacteur tokamak du monde, qui devrait ouvrir en 2025.
Cependant, ces dernières années, les stellarators ont également connu un regain d’enthousiasme, et le plus grand réacteur du monde a été inauguré en Allemagne en 2015. Investir dans les deux voies de la fusion nous donne probablement la meilleure chance de réussir.
Le plasma est également lié à la physique de l’espace qui entoure la Terre, où il est transporté dans le vide par les vents générés dans la haute atmosphère du Soleil.
Nous avons la chance que le champ magnétique de la Terre nous protège des particules de plasma chargées et des rayonnements nocifs de ces vents solaires, mais nos satellites, nos vaisseaux spatiaux et nos astronautes sont tous exposés. Leur capacité à survivre dans cet environnement hostile repose sur la compréhension et l’adaptation aux bizarreries du plasma.
Dans un nouveau domaine appelé “météo de l’espace”, la physique des plasmas joue un rôle similaire à celui de la dynamique des fluides dans les conditions atmosphériques terrestres.
J’ai consacré une grande partie de mes recherches à un phénomène appelé “reconnexion magnétique”, dans lequel les lignes de champ magnétique du plasma peuvent se déchirer et se reconnecter, ce qui entraîne une libération rapide d’énergie.
On pense que ce processus est à l’origine des événements éruptifs du Soleil, tels que les éruptions solaires, bien que sa compréhension détaillée reste difficile. À l’avenir, nous pourrions être en mesure de prévoir les tempêtes solaires de la même manière que nous pouvons prévoir le mauvais temps dans les villes.
En regardant en arrière, et non en avant, dans l’espace et dans le temps, j’espère que la physique des plasmas permettra de comprendre comment les étoiles, les galaxies et les amas de galaxies se sont formés.
Selon le modèle cosmologique standard, le plasma était omniprésent dans l’Univers primitif ; puis tout a commencé à se refroidir et les électrons et protons chargés se sont liés pour former des atomes d’hydrogène électriquement neutres.
Cet état a duré jusqu’à ce que les premières étoiles et les premiers trous noirs se forment et commencent à émettre des rayonnements, après quoi l’Univers s’est “réionisé” et est revenu à un état principalement plasmatique.
Enfin, les plasmas permettent d’expliquer certains des phénomènes les plus spectaculaires que nous avons observés dans les régions les plus reculées du cosmos. Prenez les trous noirs lointains, des objets massifs si denses que même la lumière ne peut s’en échapper. Ils sont pratiquement invisibles à l’observation directe.
Cependant, les trous noirs sont généralement entourés d’un disque rotatif de matière plasmatique, qui orbite dans l’attraction gravitationnelle du trou noir et émet des photons de haute énergie qui peuvent être observés dans le spectre des rayons X, révélant ainsi quelque chose sur cet environnement extrême.
C’est un voyage passionnant pour moi depuis l’époque où je pensais que les solides, les liquides et les gaz étaient les seuls types de matière qui comptaient. Les plasmas semblent encore assez exotiques, mais à mesure que nous apprenons à exploiter leur potentiel et que nous élargissons notre vision du cosmos, ils pourraient un jour nous sembler aussi normaux que la glace et l’eau.
Et si nous parvenons un jour à réaliser la fusion nucléaire contrôlée, les plasmas pourraient bien devenir un élément dont nous ne pourrons plus nous passer.
Cet article a été initialement publié sur Aeon et a été republié sous Creative Commons.