Plasma

Le plasma est souvent appelé le quatrième état de la matière. Dans un gaz suffisamment ionisé, une partie des électrons circule librement au lieu de rester liée aux atomes. Ions, électrons et éventuellement particules neutres forment un milieu dont les charges peuvent agir collectivement. L’ionisation n’a pas besoin d’être totale pour que le gaz présente un comportement de plasma.

Les propriétés du plasma

Les charges libres d’un plasma lui permettent de conduire l’électricité et de réagir aux champs électromagnétiques. Beaucoup de plasmas astrophysiques sont quasi neutres à grande échelle, avec des charges positives et négatives qui se compensent presque. Leur particularité n’est donc pas une neutralité absente des gaz ordinaires, mais la mobilité et les interactions collectives de leurs charges.

Le plasma dans l’univers

L’univers offre de nombreux exemples de plasma : les intérieurs stellaires, les nébuleuses en émission ionisées par des étoiles chaudes, le vent solaire et une partie du gaz diffus entre les galaxies. Les régions chaudes des disques d’accrétion en contiennent également. Le degré d’ionisation varie selon les conditions ; tout le gaz astronomique n’est pas entièrement ionisé.

Plasma et magnétisme

L’interaction des plasmas avec les champs magnétiques explique de nombreux phénomènes spectaculaires. La magnétohydrodynamique, branche de la physique qui étudie cette interaction, est essentielle pour comprendre la formation des taches solaires, l’éjection des plasmas dans les éruptions stellaires, la formation des jets relativistes près des trous noirs, et la dynamique du vent solaire. Elle décrit le plasma comme un fluide couplé au champ électromagnétique, une approximation dont la validité dépend des échelles étudiées.

Importance en astronomie

Comprendre les plasmas est crucial dans presque tous les domaines de l’astrophysique. La spectroscopie des plasmas révèle leur composition, température et densité. Les processus de transfert d’énergie dans les plasmas expliquent la luminosité des étoiles, les mécanismes des supernovas, l’activité des noyaux galactiques actifs. La recherche sur les plasmas est aussi essentielle pour le développement de la fusion nucléaire contrôlée : obtenir et confiner sur Terre un milieu où des noyaux légers peuvent fusionner.

Exemple concret : les aurores polaires

Les aurores boréales et australes révèlent les interactions entre la magnétosphère et l’atmosphère terrestre. Des particules chargées, notamment des électrons accélérés dans la magnétosphère, précipitent vers l’atmosphère supérieure et y excitent des atomes et molécules. Le retour vers des états moins énergétiques produit la lumière : l’oxygène contribue au vert et au rouge, l’azote à des teintes bleues et violettes.

Le saviez-vous ?

Le plasma est très répandu dans les étoiles et les gaz ionisés de l’espace. Sur Terre, on en rencontre dans l’ionosphère et les décharges électriques, et on en produit dans les lampes à décharge ainsi que dans de nombreux dispositifs industriels ou expérimentaux. Cette abondance ne signifie pas que la matière noire ou toute la matière ordinaire soit du plasma.

Questions fréquentes

Le feu est-il un plasma ?

Pas nécessairement. Une flamme peut contenir des particules chargées sans que cela suffise à la décrire entièrement comme un plasma. Il faut tenir compte du degré d’ionisation et des phénomènes collectifs. Dire simplement qu’une flamme est très chaude ne permet donc pas de conclure.

Tous les plasmas sont-ils chauds ?

Non. Dans certains plasmas dits froids, les électrons sont énergétiques alors que le gaz reste à une température bien plus basse. Ces milieux sont utilisés notamment pour le traitement des surfaces. Le mot « froid » ne signifie donc pas que toutes les particules ont la même faible énergie.

Peut-on créer des plasmas en laboratoire ?

Oui, dans des conditions variées. ITER vise un plasma de deutérium et de tritium à environ 150 millions de degrés Celsius pour étudier la fusion contrôlée ; la réaction choisie diffère de la chaîne dominante au cœur du Soleil. Les collisions d’ions lourds au CERN permettent, elles, d’étudier un plasma de quarks et de gluons, un état distinct où les constituants des protons et neutrons ne sont plus confinés de la même manière.