Plasma in laboratory and space

Résumé
On étudie les phénomènes du plasma en laboratoire, dans les magnétosphères, et dans les régions astrophysiques les plus lointaines. Il est probable que les qualités de base des plasmas sont partout les mêmes, mais la translation des connaissances entre les régions exige des lois d'échelle d'un facteur allant jusqu'à 10²⁷ (= la proportion entre la distance Hubble 10²⁸ cm et les dimensions du laboratoire, disons 10 cm). Les phénomènes du plasma sont compliqués et on ne peut les comprendre qu'au moyen de diagnostics sophistiqués. Jusqu'à présent, les diagnostics en laboratoire ont été développés avec succès et la physique du plasma dans l'espace doit se baser sur un flux de connaissances du laboratoire. Cependant, les mesures in situ dans les magnétosphères (y compris l'héliosphère = la magnétosphère solaire) ont atteint un tel niveau de sophistication qu'en quelque sorte, la physique du plasma magnétosphérique devance la physique du plasma en laboratoire. Ainsi l'exploration des régions astrophysiques (définies comme les régions non encore accessibles aux mesures in situ) doit se baser sur une translation des connaissances non seulement à partir de la physique de laboratoire, mais aussi à partir de la physique de la magnétosphère. De plus, une translation des connaissances des magnétosphères au laboratoire peut rajeunir les recherches de la fusion. Les recherches magnétosphèriques ont démontré qu'il y a des régions du plasma de deux sortes : - les régions du plasma passives, lesquelles peuvent être décrites par la théorie classique de l'hydrodynamique. Elles transmettent des ondes et des particules chargées de haute énergie, mais si les courants de champ-aligné dépassent une certaine valeur elles sont transférées dans : - les régions du plasma actives. Celles-ci transportent les courants de champ-aligné qui leur donnent une structure de filament ou de feuille d'une épaisseur allant jusqu'à quelques rayons cyclotroniques (ioniques ou électroniques). Elles transmettent l'énergie d'une région à une autre, et produisent des doubles couches électriques qui accélèrent les particules à hautes énergies. On ne peut pas décrire les régions actives par les théories hydromagnétiques. Des conditions limites sont essentielles, et peuvent être introduites par une théorie des circuits. Un traitement équivoque des conditions limites est souvent inévitable dans les théories de fusion magnétique. La translation des connaissances à partir du laboratoire et des magnétosphères engendre désormais une révolution dans l'astrophysique. Par exemple, la théorie de la formation du système solaire peut se baser sur l'extrapolation de ce que l'on sait de la physique magnétosphérique et de la physique du plasma en laboratoire. Cependant, il y a deux sortes de plasmas qui sont importants en astrophysique et qu'on ne peut pas encore étudier ni en laboratoire ni dans les magnétosphères : les plasmas poudreux, d'importance dans les nuages interstellaires, et les ambiplasmas (se composant de la matière aussi bien que de l'antimatière), d'importance dans le débat cosmologique.

Abstract
Plasma phenomena are studied in the laboratory, in the magnetospheres, and in more distant astrophysical regions. The basic properties of plasmas are likely to be the same everywhere but the transfer of knowledge between the regions requires laws of scaling by a factor of up-to 10²⁷ (= ratio between Hubble distance 10²⁸ cm and laboratory dimensions, say 10 cm). Plasma phenomena are complicated and can be understood only with the help of a very sophisticated diagnostics. Up to recently, diagnostics in the laboratory was best developed and space plasma physics must be based on a flow of knowledge from the laboratory. However, in situ measurements in the magnetospheres (including the heliosphere = the solar magnetosphere) has now reached such a sophistication that in some respects magnetospheric plasma physics is ahead of laboratory plasma physics. Hence the exploration of astrophysical regions (defined as those regions not yet accessable to in situ measurements) must be based on a transfer of knowledge not only from laboratory physics but also from magnetospheric physics. Further, a transfer of knowledge from the magnetospheres to the laboratory may rejuvenate fusion research. Magnetospheric research has demonstrated that there are plasma regions of two different kinds : - passive plasma regions, which can be described by classical hydrodynamic theory. They transmit waves and high energy charged particles but if the field-aligned currents exceed a certain value they are transferred into. - active plasma regions. These carry field-aligned currents which give them a filamentary or sheet structure with thickness down to a few cyclotron radii (ionic or even electronic). They transmit energy from one region to another and produce electric double layers which accelerate particles to high energies. Active regions cannot be described by hydromagnetic theories. Boundary conditions are essential and may be introduced by circuit theory. (Erroneous treatment of boundary conditions is often fatal in magnetic merging theories.) Transfer of knowledge from the laboratory and the magnetospheres is now starting a revolution in astrophysics. For example the theory of formation of the solar system can be based on extrapolation of what is known from magnetospheric and laboratory plasma physics. However, there are two kinds of astrophysically important plasmas which cannot yet be studied in the laboratory or in the magnetospheres : dusty plasmas, of importance in interstellar clouds, and ambiplasmas (consisting of both matter and antimatter), of importance in the cosmological discussion.