E5 Physique astrophysique des plasmas

Topique

L'élément central de ce modèle est le plasma astrophysique, un gaz totalement ionisé où les électrons et les ions se déplacent librement sous l'influence des champs électromagnétiques, régis en permanence par la force de Lorentz.

La fréquence plasma est la fréquence naturelle à laquelle ce plasma astrophysique oscille collectivement, lorsque ses électrons croisent ses ions puis retournent vers eux. Si la fréquence naturelle du rayonnement est inférieure à cette fréquence plasma, ce rayonnement ne peut se propager à travers le plasma ; celui-ci agit donc comme un écran, bloquant tout rayonnement de fréquence excessivement basse.

Le rayon de Larmor détermine, au sein de ce même plasma astrophysique, la courbure de la trajectoire d'une particule chargée traversant un champ magnétique : les rayons cosmiques, par exemple, décrivent des rayons de courbure de l'ordre du parsec dans le champ magnétique de la galaxie elle-même. Le fait que le rayon de Larmor détermine la courbure de chaque trajectoire signifie que le champ magnétique de la galaxie impose finalement, particule par particule, la forme exacte de la trajectoire décrite par chaque particule lors de sa traversée du plasma.

La longueur de Debye est l'échelle à laquelle ce plasma peut bloquer une charge externe : à des échelles supérieures à la longueur de Debye, le plasma se comporte comme s'il était électriquement neutre dans son ensemble, tandis qu'à des échelles inférieures, les charges individuelles de ses électrons et ions restent discernables. Le fait que la longueur de Debye sépare ces deux comportements signifie qu'un même plasma astrophysique peut se comporter, selon l'échelle d'observation, comme un milieu neutre ou comme un ensemble de charges individuelles parfaitement distinctes.

La fréquence cyclotron, quant à elle, est la fréquence de rotation d'une particule chargée autour des lignes de champ magnétique traversant le plasma. Elle est à l'origine de l'émission cyclotron – ou émission synchrotron, à la limite relativiste – qui se produit précisément aux multiples de cette fréquence de rotation. Ainsi, du plasma astrophysique avec lequel ce document commence jusqu'à l'émission cyclotron et synchrotron avec laquelle il se termine, en tenant compte de la fréquence plasma, du rayon de Larmor et de la longueur de Debye, la physique du plasma astrophysique implique qu'un même gaz ionisé réagit différemment selon l'échelle, la fréquence ou le champ magnétique avec lesquels il est mesuré.

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