supraconductivité, l’imagerie médicale, l’enregistrement...
1.2.2 Le champ magnétique interstellaire
Dans le domaine de l’astrophysique, l’histoire du magnétisme est beaucoup plus récente principalement à cause de la difficulté de détection et de mesure des champs magnétiques distants, point sur lequel je reviendrai plus en détail au paragraphe
1.6. Jusqu’au XIXème siècle, seul le champ magnétique Terrestre était connu. La
première observation du magnétisme d’un objet céleste a été réalisée en 1908 par George Ellery Hale (1868 – 1938), qui a montré que les taches solaires étaient fortement magnétisées.
En 1937, Hannes Olof Gösta Alfvén (1908 – 1995) fut le premier à postuler la présence d’un champ magnétique interstellaire pour expliquer le confinement des rayons cosmiques dans la Galaxie. Puis en 1949, Enrico Fermi (1901 – 1954) reprit cette hypothèse en précisant que le champ magnétique interstellaire devait aussi avoir un rôle dans la production des rayons cosmiques et il proposa une
valeur de 5 µG tout à fait compatible avec les valeurs admises de nos jours. Cette
même année, John Hall et William Albert Hiltner furent les premiers à observer (sans toutefois l’expliquer) une polarisation linéaire de la lumière émise par des étoiles proches. En 1950, Karl-Otto Kiepenheuer découvrit que l’émission radio de la Voie Lactée correspondait à une émission synchrotron, qui nécessitait donc la présence d’un champ magnétique à l’échelle de la Galaxie. Finalement, en 1951, Leverett Davis & Jesse Leonard Greenstein expliquèrent la polarisation linéaire de la lumière stellaire par l’alignement des grains de poussière interstellaire par rapport au champ magnétique. Ce sont ces quatre résultats qui ont constitué le véritable point de départ de l’étude du champ magnétique interstellaire.
1.3 Ordres de grandeur
Comme je l’ai déjà laissé entrevoir au paragraphe précédent lorsque j’ai men-tionné la contribution de Fermi, l’intensité du champ magnétique de notre Galaxie
est de l’ordre de quelques micro-Gauss (µG). Cependant, le lecteur qui ne serait pas
familier avec la manipulation des champs magnétiques peut avoir du mal pour se faire une idée claire de ce que cette valeur représente. C’est pourquoi, j’ai regroupé dans le tableau 1.2, un échantillon de valeurs typiques de champs magnétiques associés à divers phénomènes ou applications technologiques.
Il est alors facile de comprendre qu’avec une intensité dix millions de fois plus faible que celle d’un simple aimant de réfrigérateur, l’étude du champ magnétique interstellaire est difficile. Cette constatation peut légitimement nous amener à nous interroger sur l’intérêt d’une telle étude. Un champ magnétique aussi insignifiant peut-il avoir un quelconque impact sur la physique de la Galaxie ?
Table 1.2 – Intensité typique de champs magnétiques.
Ordre de grandeur (G) Source du champ magnétique
1012↔1015
magnétars
108 ↔1012
étoiles à neutrons
3×107 champs magnétiques pulsés les plus intenses
pro-duits par l’Homme
5×105 champs magnétiques continus les plus intenses
pro-duit par l’Homme
104 ↔105
I.R.M. (médical ↔recherche)
103
taches solaires
5×101
aimant de réfrigérateur
3×10−1
surface de la Terre (à l’équateur)
5×10−6 milieu interstellaire
10−9 ↔10−8
cerveau humain
1.4 Impact du champ magnétique interstellaire
Pour répondre à la question qui conclut le paragraphe 1.3, il faut avant tout avoir conscience de la taille gigantesque de notre Galaxie. En effet, avec un dia-mètre de plus de 30 kpc, même si le champ magnétique interstellaire a localement une intensité extrêmement faible, sur l’ensemble de la Galaxie sa pression est com-parable à la pression du gaz ou à celle des rayons cosmiques et ses effets deviennent considérables. Le champ magnétique joue ainsi un rôle important à divers niveaux dans la physique de la Galaxie et la connaissance de sa structure représente un enjeu crucial pour de nombreuses études.
Au travers de la force de Lorentz, le champ magnétique interstellaire a une influence directe sur les espèces chargées. Dans un second temps, si le milieu est suffisamment ionisé (ce qui est généralement le cas dans le milieu interstellaire), cette influence est transmise aux espèces neutres par collisions ions-neutres. Cela rend ainsi tous les constituants du milieu interstellaire sensibles au champ magné-tique.
A de grandes échelles Galactiques, le champ magnétique a un rôle important dans l’équilibre hydrostatique de la Galaxie (Boulares and Cox, 1990). Par l’action de la pression et de la tension magnétiques, le champ magnétique s’oppose à la force de gravitation, ce qui permet en particulier d’expliquer l’épaisseur du disque Galactique. Le champ magnétique est aussi responsable de la création des rayons cosmiques (par accélération des particules chargées) ainsi que de leur canalisation et de leur confinement dans la Galaxie. Notons à cette occasion qu’au même titre que la pression magnétique, la pression exercée par les rayons cosmiques joue
1.5. ORIGINE DU CHAMP MAGNÉTIQUE INTERSTELLAIRE également un rôle important dans l’équilibre hydrostatique de la Galaxie (Boulares and Cox, 1990).
Le champ magnétique est aussi essentiel dans les processus de formation stel-laire. Tout d’abord, toujours à cause de son opposition à la gravitation, il limite l’effondrement des nuages moléculaires, ce qui a pour effet de contrôler le taux de formation stellaire. Puis plus tard, au cours de la formation du coeur préstel-laire, des effets assimilables à du « freinage magnétique » permettent d’évacuer du moment cinétique vers l’extérieur du système, permettant ainsi la poursuite du processus d’effondrement. Enfin le champ magnétique a un rôle central dans les mécanismes d’éjections bipolaires de matière observées lors des phases plus évoluées.
Un autre aspect illustrant l’importance du champ magnétique est l’aspect éner-gétique. Lors des processus de reconnexion magnétique et de diffusion ambipolaire, une quantité d’énergie importante est dissipée principalement sous forme ther-mique ce qui constitue une source importante de chauffage du MIS.
1.5 Origine du champ magnétique interstellaire
Une autre question qu’il est naturel de se poser lorsque l’on s’intéresse au champ magnétique de notre Galaxie (ou plus généralement des galaxies) est celle de son origine. Il existe principalement deux approches distinctes pour répondre à cette question.
Le champ primordial
La théorie du champ primordial s’appuie sur la présence d’un champ magné-tique dans l’univers primordial (avant la formation des premières structures). Lors de l’effondrement du nuage prégalactique, les lignes de champ supposées gelées dans le plasma sont alors comprimées dans le futur disque galactique (figure 1.2). Dans un même temps, en raison de la rotation différentielle autour de l’axe galac-tique, les lignes de champ sont étirées dans leur direction azimutale et enroulées dans une structure en spirale autour du centre galactique (figure 1.3). Cependant la faiblesse de cette théorie réside dans le fait que l’âge actuel des galaxies conduit à une valeur de l’enroulement beaucoup plus grande que ce que montrent les ob-servations. Une manière de contourner ce problème est de considérer une diffusion magnétique importante, permettant d’éviter un trop fort enroulement des lignes de champ. Néanmoins si cette diffusion est suffisamment importante dans la direction parallèle au plan galactique, elle devrait aussi l’être dans la direction perpendicu-laire, ce qui aurait conduit à une diminution considérable de l’intensité du champ magnétique, bien en-dessous de ce qui est observé aujourd’hui (Rosner and Deluca, 1989). La théorie du champ primordial semble donc insuffisante pour expliquer à elle seule l’existence du champ magnétique interstellaire.
Figure 1.2 – Lors de l’effondrement du nuage prégalactique, les lignes de champ magnétique
sont comprimées dans le disque galactique.
Figure 1.3 – La rotation différentielle à laquelle est soumis le disque galactique provoque un
cisaillement qui entraîne les lignes de champ magnétique pour leur donner une structure en spirale en générant du champ magnétique azimutal ; c’est l’effet Ω.
Figure 1.4 – A l’échelle de la turbulence, les lignes de champ magnétique sont déformées et étirées dans les cellules turbulentes. Sous l’action de la force de Coriolis, ces cellules sont rendues cycloniques, ce qui permet de régénérer du champ poloïdal ; c’est l’effetα.
1.5. ORIGINE DU CHAMP MAGNÉTIQUE INTERSTELLAIRE