Des aurores boréales créées en laboratoire permettent de savoir plus précisément comment elles se forment
Une équipe de physiciens vient d’achever une quête de plusieurs décennies visant à démontrer expérimentalement le mécanisme physique des aurores boréales, ces rideaux de lumière scintillants qui brillent au-dessus des pôles. De plus, ils ont pu le faire dans le confort d’un laboratoire universitaire, sans avoir à parcourir de longues distances pour voir une aurore.
Image d’entête : aurore boréale sur la ville de Tromsø, en Norvège. (Even Mathisen)
Nous savons depuis longtemps que ces incroyables spectacles de lumière sont formés par des particules énergétiques provenant du Soleil. Ces particules rapides (principalement des électrons) sont canalisées vers le bas le long des lignes de champ magnétique et frappent notre atmosphère à de hautes latitudes, entrant en collision avec des atomes d’oxygène et d’azote et les stimulant jusqu’à un état “excité”. Lorsque les atomes se « détendent » à nouveau, ils libèrent de l’énergie sous la forme d’éclairs de lumière colorée.
Représentation du champ magnétique terrestre et son effet sur les électrons piégés en provenance du Soleil. (Austin Montelius/ Université de l’Iowa)
La question était de savoir comment ces électrons sont-ils accélérés à grande vitesse avant d’entrer en collision avec la Terre ?
Cette étude, publiée cette semaine (lien plus bas), montre que la réponse réside dans de puissantes ondes électromagnétiques appelées « ondes d’Alfvén« , créées lors de tempêtes géomagnétiques.
Le coauteur de l’étude, le physicien Greg Howes de l’université de l’Iowa, aux États-Unis, explique :
Les mesures ont révélé que cette petite population d’électrons subit une ‘accélération résonante’ par le champ électrique de l’onde d’Alfvén, comme un surfeur qui attrape une vague et qui est continuellement accéléré alors qu’il se déplace avec la vague.
Des engins spatiaux ont déjà observé des ondes d’Alfven se dirigeant vers la Terre lors d’aurores boréales, mais l’équipe de recherche a maintenant pu confirmer ces observations par des expériences en laboratoire. Celles-ci ont été menées au Large Plasma Device (LAPD) dans le Basic Plasma Science Facility de l’Université de Californie à Los Angeles, aux États-Unis.
Plus précisément, les expériences ont porté sur une petite population d’électrons se déplaçant dans la chambre du LAPD à la même vitesse que les ondes d’Alfvén, montrant qu’ils peuvent « surfer » sur le champ électrique d’une onde.
La théorie qui sous-tend ce phénomène est connue sous le nom d’amortissement Landau. Les résultats expérimentaux correspondent désormais à la signature prédite par la théorie, ainsi qu’aux simulations.
Le “surf des électrons” par amortissement Landau. (Austin Montelius/ Université de l’Iowa)
Selon un autre coauteur de l’étude, Craig Kletzing, également de l’université de l’Iowa :
L’idée que ces ondes puissent exciter les électrons qui créent les aurores remonte à plus de quarante ans, mais c’est la première fois que nous sommes en mesure de confirmer définitivement que cela fonctionne.
Ces expériences nous permettent d’effectuer les mesures clés qui montrent que les mesures spatiales et la théorie expliquent effectivement une façon majeure de créer les aurores.
L’étude publiée dans Nature Communications : Laboratory measurements of the physics of auroral electron acceleration by Alfvén waves et pérsentée sur le site de l’Université de l’Iowa : Physicists determine how auroras are created.