Ccomposante fondamentale de l'électromagnétisme et intrinsèquement liée au champ électrique, le champ magnétique est produit par des charges électriques en mouvement. Par exemple, un courant électrique circulant dans un fil génère un champ magnétique autour de celui-ci. De même, les électrons en mouvement autour du noyau d'un atome ou leur spin (une propriété quantique intrinsèque) sont à l'origine du champ magnétique dans les matériaux aimantés. Les aimants permanents, comme les aimants en fer ou en néodyme, possèdent un champ magnétique en raison de l'alignement des spins des électrons à l'échelle microscopique. 

L'intensité du champ magnétique se mesure en tesla (T), bien qu'on utilise parfois le gauss (1 tesla = 10 000 gauss). Le champ magnétique terrestre, par exemple, est d'environ 25 à 65 microteslas selon les lieux, ce qui est suffisant pour orienter une boussole. Ce champ protège la Terre des particules chargées provenant du Soleil, en les déviant grâce à la force magnétique. 

La direction du champ magnétique est conventionnellement définie du pôle nord vers le pôle sud à l'extérieur d'un aimant. Autour d'un fil parcouru par un courant, le champ magnétique forme des cercles concentriques dont le sens dépend du sens du courant, selon la règle de la main droite : si l'on enroule les doigts de la main droite autour du fil dans le sens du courant, le pouce indique la direction du champ. 

Le champ magnétique interagit avec les charges électriques en mouvement. Lorsqu'une charge électrique se déplace dans un champ magnétique, elle subit une force appelée force de Lorentz. Cette force est perpendiculaire à la fois à la vitesse de la charge et au champ magnétique, ce qui a pour effet de courber la trajectoire de la charge sans en changer la vitesse. C'est ce principe qui est utilisé dans les cyclotrons ou les accélérateurs de particules. 

Le champ magnétique peut également induire des courants électriques dans un conducteur lorsqu'il varie dans le temps. Ce phénomène, appelé induction électromagnétique, est à la base du fonctionnement des générateurs électriques, des transformateurs et des moteurs. Une variation du champ magnétique à travers une boucle de fil produit une tension électrique, selon la loi de Faraday.

Les champs magnétiques dans l'univers

La compréhension des champs magnétiques de l'univers mobilise des simulations magnétohydrodynamiques massives, des observations radio de pointe avec des interféromètres comme LOFAR, MeerKAT ou le futur Square Kilometre Array, et des théories de dynamo de plus en plus sophistiquées. Chaque nouvelle carte du ciel polarisé, chaque mesure de rotation Faraday vers un quasar lointain, chaque spectre de rayons cosmiques affine notre image de cette composante fondamentale, sans laquelle la valse des galaxies, l'allumage des étoiles et l'accélération des particules les plus énergétiques resteraient insaisissables.

Le Système solaire.
La Terre et les autres planètes.
La Terre possède un champ magnétique global engendré par l'effet dynamo dans son noyau de fer liquide en convection. Ce champ, modeste en comparaison des objets astrophysiques, protège notre atmosphère du vent solaire et oriente les boussoles depuis des siècles. 
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Les autres planètes telluriques ont des histoires magnétiques diverses : Mercure présente un champ faible mais bien structuré, Mars ne conserve que des aimantations crustales fossilisées, témoins d'une dynamo éteinte, et Vénus, malgré un noyau probablement liquide, n'a pas de champ global, sans doute à cause de l'absence de convection vigoureuse.

Les géantes gazeuses, Jupiter et Saturne, abritent des dynamos bien plus puissantes, alimentées par de l'hydrogène métallique sous des pressions colossales. Le champ de Jupiter, le plus intense du Système solaire, crée une magnétosphère gigantesque qui piège des ceintures de radiation féroces et interagit avec les lunes volcaniques comme Io. Même les lunes peuvent posséder des champs internes, à l'image de Ganymède, unique lune connue dotée d'une dynamo active.

Le Soleil.
Le Soleil, notre étoile, est un laboratoire magnétique en constante ébullition. Sa zone convective externe abrite une dynamo complexe qui génère un cycle magnétique d'environ vingt-deux ans. Les champs émergent à la surface sous forme de taches sombres, de protubérances et d'arches coronales, et leur reconnexion brutale libère des éruptions et des éjections de masse coronale. Le vent solaire, flot continu de plasma, emporte avec lui le champ magnétique solaire en une spirale d'Archimède qui baigne toute l'héliosphère (L'atmosphère solaire). Ce champ interplanétaire module l'arrivée des rayons cosmiques galactiques et, on l'a vu plus haut, lorsqu'il rencontre la magnétosphère terrestre, il déclenche des aurores polaires et des orages géomagnétiques.

La Galaxie.
Les étoiles.
En quittant le Système solaire, on rencontre d'abord les champs des autres étoiles. Les observations de taches stellaires, de cycles d'activité et de couronnes X montrent que la plupart des étoiles de type solaire possèdent des dynamos efficaces. Les étoiles très jeunes tournent rapidement et affichent des champs superficiels atteignant plusieurs kilogauss, responsables de sursauts intenses.

Les étoiles massives, chaudes, abritent parfois des champs fossiles qui semblent avoir survécu depuis leur formation, car leur intérieur radiatif ne peut guère amplifier le champ par dynamo. Ces champs influencent la perte de masse stellaire, freinent la rotation des astres par couplage magnétique avec le vent, et peuvent même canaliser les explosions finales des supernovae. 

Justement, les restes de supernova sont des creusets magnétiques : l'onde de choc comprime et amplifie le champ ambiant, tandis que l'accélération diffusive de particules sur ces chocs produit un rayonnement synchrotron intense dans le domaine radio, signature directe de la présence de champs magnétiques et d'électrons relativistes. 

Les pulsars, résidus ultradenses de ces explosions, portent l'empreinte magnétique la plus extrême de l'univers : des champs dipolaires de mille milliards de gauss pour les pulsars ordinaires, et jusqu'à un million de milliards de gauss pour les magnétars. Ces champs freinent la rotation de l'étoile à neutrons en émettant des ondes électromagnétiques et, dans les magnétars, ils déforment la croûte solide jusqu'à provoquer des tremblements d'étoile et des sursauts gamma.

Le milieu interstellaire.
Le milieu interstellaire de notre Galaxie est parcouru par un champ magnétique de quelques microgauss, bien que sa composante régulière soit plus faible et s'enroule en spirale le long des bras galactiques.

Ce champ est entretenu et amplifié par un effet dynamo à l'échelle de toute la Voie lactée, où la rotation différentielle et la turbulence des explosions de supernova tordent et étirent les lignes de force. On le cartographie en mesurant la rotation Faraday de sources polarisées lointaines, c'est-à-dire la modification de l'angle de polarisation de leur rayonnement proportionnellement à la densité électronique et au champ magnétique parallèle à la ligne de visée.

On observe aussi l'émission synchrotron diffuse de la Galaxie, qui révèle une structure magnétique en grandes boucles et en bulles, comme les bulles de Fermi au-dessus et au-dessous du centre galactique, probablement sculptées par l'activité passée du trou noir central ou par des flambées de formation stellaire. 

Dans les nuages moléculaires denses, là où naissent les étoiles, le champ magnétique est amplifié par la contraction du gaz mais il s'oppose à l'effondrement gravitationnel perpendiculairement à ses lignes de force. Cet effet régule le taux de formation stellaire et impose une anisotropie aux structures filamentaires observées par les télescopes infrarouges et submillimétriques. La polarisation des grains de poussière alignés par le champ, mesurée par des instruments comme Planck ou ALMA, permet de tracer directement la morphologie du champ dans ces cocons pré-stellaires.

Les rayons cosmiques.
Les champs magnétiques jouent aussi un rôle essentiel dans le transport et la diffusion des rayons cosmiques. Ces particules chargées spiralent le long des lignes de champ et sont déviées par les irrégularités magnétiques, ce qui efface la direction de leur source initiale et rend leur trajectoire diffuse. L'intensité et la topologie du champ galactique dictent ainsi le temps de résidence des rayons cosmiques dans la Galaxie, influençant leur spectre d'énergie observé sur Terre. Aux plus hautes énergies, les rayons cosmiques extragalactiques sont aussi sensibles aux champs intergalactiques, et l'étude de leur anisotropie d'arrivée avec des observatoires comme l'Observatoire Pierre Auger peut contraindre l'intensité et la cohérence de ces champs lointains.

L'univers extragalactique.
Les galaxies.
À plus grande échelle, chaque galaxie spirale semble posséder sa propre dynamo, qui engendre des champs à grande échelle organisés selon un motif spiral ou axisymétrique. Dans les galaxies proches comme M51 (Chiens de Chasse) ou M83 (Hydre), les cartes de polarisation radio montrent des lignes de champ qui suivent globalement les bras spiraux, avec des renversements de direction possibles entre les bras. 

Les galaxies barrées et les galaxies irrégulières ont des champs plus désordonnés mais toujours significatifs. Le champ magnétique fournit une pression supplémentaire qui soutient le disque gazeux et peut contribuer à l'éjection de matière dans les halos galactiques, sous forme de vents magnétiques. 

Les galaxies naines, malgré leur faible masse, parviennent à amplifier des champs jusqu'à plusieurs microgauss, ce qui indique que le mécanisme dynamo est étonnamment robuste. 

Même les galaxies à haut décalage vers le rouge, observées dans leur jeunesse cosmique, commencent à révéler la signature d'un magnétisme déjà présent, posant la question de l'origine des champs primordiaux nécessaires pour amorcer ces dynamos.

Le milieu intergalactique.
Au sein des amas de galaxies, le gaz intra-amas, chauffé à des dizaines de millions de kelvins, baigne dans un champ magnétique de l'ordre du microgauss, parfois plus dans les régions centrales refroidies. Les observations radio des halos et des reliques d'amas de galaxies, sources diffuses de rayonnement synchrotron, montrent que les champs sont omniprésents dans ce plasma dilué. Les reliques, situées à la périphérie des amas, tracent des ondes de choc produites par des fusions d'amas et amplifient le champ selon un processus voisin de celui des restes de supernova. La rotation Faraday de sources radio vues à travers les amas permet d'estimer la structure du champ : souvent chaotique, avec une composante à grande échelle faible, suggérant que la turbulence engendrée par les fusions d'amas joue un rôle majeur dans l'amplification et le maintien du magnétisme. Ces champs influencent la conduction thermique dans le gaz chaud et, par leur pression, peuvent modifier la stratification du milieu intra-amas, entrant en compétition avec la gravité et la pression thermique.

Au-delà des amas de galaxies, la question du champ magnétique dans les filaments cosmiques, ces structures qui relient les amas le long de la toile cosmique, constitue l'une des frontières de l'astrophysique contemporaine. La densité y est si faible qu'une émission synchrotron directe est extrêmement difficile à détecter. On cherche plutôt des signatures indirectes : rotation Faraday cumulative de sources lointaines, effet sur la propagation des rayons cosmiques de ultra-haute énergie, ou encore recherche d'un fond diffus de rayonnement synchrotron intergalactique. La non-observation de halos magnétiques étendus autour de certains objets impose des limites supérieures très basses, de l'ordre du nanogauss, voire moins, pour les vides cosmiques. Pourtant, les simulations cosmologiques incorporant la magnétohydrodynamique prédisent que les chocs d'accrétion et la turbulence gravitationnelle lors de la formation des grandes structures peuvent amplifier des champs primordiaux minuscules jusqu'à des valeurs de l'ordre de 10^-10 à 10^-9 gauss dans les filaments, suffisantes pour expliquer l'amorçage des dynamos galactiques.

Les champs magnétiques primordiaux.
L'origine même de ces premiers champs est une énigme. Deux grandes familles de scénarios s'affrontent. 

• Les champs pourraient être nés durant l'univers primordial, par des processus exotiques comme des transitions de phase (électrofaible ou QCD), par des fluctuations quantiques amplifiées pendant l'inflation, ou par la génération de champs turbulents lors de la recombinaison. 

• L'autre voie, astrophysique, fait appel à des batteries de Biermann : de très faibles champs peuvent émerger spontanément dans les plasmas si les gradients de densité et de température ne sont pas alignés, ce qui se produit naturellement lors de la formation des premières étoiles et galaxies. Ces champs ténus, de l'ordre de 10^-20 gauss, seraient ensuite amplifiés exponentiellement par la dynamo galactique jusqu'aux valeurs observées aujourd'hui. 

La cosmologie observationnelle s'intéresse également à l'empreinte du magnétisme sur le fond diffus cosmologique. Un champ magnétique primordial, même très faible, introduirait des perturbations dans le plasma primordial avant la recombinaison, modifiant de manière caractéristique les anisotropies de température et de polarisation du fond cosmologique, ainsi que la génération d'ondes gravitationnelles secondaires. Des contraintes de plus en plus précises, issues des satellites Planck et d'expériences au sol, repoussent l'intensité maximale d'un tel champ à moins de quelques nanogauss à l'échelle de l'horizon. Ces limites n'excluent pas des champs plus intenses confinés à de petites échelles, qui auraient pu jouer un rôle dans la formation des premières étoiles en freinant la fragmentation des nuages de gaz.