Une boule de plasma de labo agit comme un soliton, piste sur la foudre en boule
Des physiciens en Chine ont produit une minuscule sphère lumineuse de plasma qui conserve sa structure en se dilatant et se comporte comme un soliton électromagnétique, une onde autonome. L'équipe dirigée par Chuliang Zhou, de l'Académie chinoise des sciences, rapporte dans Nature Photonics ce qu'elle présente comme la première génération contrôlée d'un soliton macroscopique et durable, entraîné par des champs électromagnétiques térahertz relativistes. Ce résultat pourrait aider à expliquer la foudre en boule, un phénomène signalé depuis des siècles et presque impossible à étudier sur le terrain.
Pourquoi la foudre en boule est si difficile à étudier
La foudre ordinaire est un éclair en zigzag qui disparaît plus vite qu'un clignement d'œil. La foudre en boule, en revanche, est décrite dans des milliers de comptes rendus et de témoignages comme une boule qui flotte au-dessus du sol puis disparaît dans un petit bruit sec, comme une bulle de savon. Les récits varient énormément quant à sa taille, sa couleur et son comportement, ce qui en fait l'une des énigmes les plus singulières des sciences de l'atmosphère.
Un soliton est une onde unique et autonome qui conserve sa forme grâce à un équilibre délicat entre des forces physiques concurrentes. Des solitons peuvent se former dans un plasma, dans l'eau ou dans la lumière, partout où un tel équilibre est possible. Certaines théories avancent que la foudre en boule est un soliton électromagnétique qui piège de l'énergie dans une enveloppe de plasma. Un plasma est un gaz dont les atomes ont perdu des électrons.
Comment la sphère a été créée
Les chercheurs ont utilisé une aiguille en tungstène dont la pointe ne mesure que 100 nanomètres de large ; un cheveu humain fait de 80 000 à 100 000 nanomètres d'épaisseur. Une impulsion laser ultracourte tirée sur l'aiguille a engendré une puissante onde électromagnétique qui s'est propagée sur toute sa longueur. À la pointe, l'énergie de l'onde s'est concentrée en un champ électrique extrêmement intense qui a arraché des électrons aux atomes d'un nuage d'argon gazeux, créant une bulle surchauffée d'argon ionisé.
La sphère lumineuse mesurait au départ environ 80 micromètres de diamètre et a grandi jusqu'à plusieurs centaines de micromètres au cours des 100 nanosecondes suivantes. C'est bien plus longtemps que l'impulsion électromagnétique qui l'a créée, et la sphère a conservé sa structure en se dilatant au lieu de se dissiper comme un nuage ordinaire de plasma chaud.
Ce que les mesures ont montré
L'équipe a suivi l'expansion et analysé les longueurs d'onde de la lumière émise par la sphère en se refroidissant, en comparant les observations à des modèles théoriques et à des simulations informatiques. L'expansion correspondait aux prédictions pour un soliton électromagnétique, ce qui suggère que l'énergie électromagnétique est restée piégée à l'intérieur du plasma. Les simulations d'une expansion thermique ordinaire donnaient un processus beaucoup plus rapide et plus diffus.
Loin d'une explication complète
Un minuscule point de lumière dans une expérience de laboratoire contrôlée est très loin des conditions atmosphériques dans lesquelles la foudre en boule est signalée. Les chercheurs ont donc utilisé leurs modèles pour voir comment l'effet pourrait changer d'échelle. Leurs calculs suggèrent que des solitons entraînés par des micro-ondes plutôt que par un rayonnement térahertz pourraient, en théorie, atteindre plusieurs mètres de large et persister pendant des secondes, ce qui se rapproche de certains témoignages. Il s'agit d'une estimation théorique, non d'une observation.
Les auteurs écrivent que piéger l'énergie électromagnétique dans une structure stable et localisée pourrait également ouvrir de nouvelles voies pour les technologies de stockage de l'énergie et pour l'étude de l'interaction entre la lumière et la matière dans des conditions extrêmes. Retrouvez d'autres articles de physique dans notre rubrique science.