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Des chercheurs ont résolu un vieux mystère lié à la formation des aurores boréales

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Des chercheurs ont résolu un vieux mystère lié à la formation des aurores boréales
Les aurores boréales dans le ciel près de Rovaniemi en Laponie, en Finlande, le 7 octobre 2018. © Alexander Kuznetsov/Reuters

Pendant des années, les scientifiques n'ont pas été en mesure de confirmer la manière dont les aurores boréales projetaient leur lueur spectrale dans le ciel. Mais ils ont longtemps eu une théorie : tout d'abord, les éruptions sur le Soleil libèrent un flux de particules chargées appelé vent solaire. Ces particules interagissent avec la magnétosphère de la Terre — la région autour de la planète contrôlée par son champ magnétique.

Dans le processus, le champ lance de puissantes ondes électromagnétiques en direction de la surface de la Terre. Les électrons s'accrochent alors à ces ondes et se dirigent vers la haute atmosphère de la Terre. Ils entrent alors en collision avec des atomes et des molécules dans le brillant spectacle lumineux connu sous le nom d'aurore.

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Cependant, les chercheurs ont eu du mal à prouver cette théorie pendant des décennies. Les distances de l'espace impliquées sont bien trop vastes pour être recréées dans un laboratoire, et la technologie des vaisseaux spatiaux ne permet aux scientifiques que de mesurer séparément les électrons et les ondes électromagnétiques à différentes altitudes.

Récemment, pourtant, des spécialistes ont réussi à simuler les conditions qui produisent une aurore à l'intérieur d'une chambre à vide. Dans une nouvelle étude, ils ont indiqué que la théorie prédominante est effectivement correcte. Des ondes électromagnétiques, appelées ondes d'Alfvén, transfèrent de l'énergie aux électrons, ce qui donne à ces particules une poussée accélérée vers la Terre. Les électrons peuvent alors surfer sur les ondes, atteignant finalement des vitesses allant jusqu'à 72 millions de kilomètres par heure.

"L'idée que ces ondes puissent énergiser 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", a déclaré dans un communiqué Craig Kletzing, professeur de physique à l'université de l'Iowa et coauteur de l'étude.

Une maquette montre comment les aurores boréales illuminent le ciel.  Austin Montelius/University of Iowa

Une chambre à vide géante pour simuler le "surf des électrons"

C'est en 1946 que le physicien russe Lev Landau a proposé pour la première fois l'idée que les électrons gagnent en vitesse en surfant sur les ondes électromagnétiques — un processus aujourd'hui connu sous le nom d'amortissement de Landau. Lev Kletzing a entrepris de tester cette théorie il y a environ vingt ans, mais avant cela, les scientifiques devaient recréer les conditions de la magnétosphère terrestre.

Leur solution était le Large Plasma Device de l'université de Californie à Los Angeles, une chambre à vide de près de 20 mètres de long qui produit suffisamment de plasma (le gaz ionisé qui constitue une grande partie de notre univers) pour supporter les ondes d'Alfvén. "Ils pensaient que cela devrait prendre quelques années", a expliqué à Insider Gregory Howes, professeur associé à l'université de l'Iowa. "Eh bien, il s'est avéré que c'était un problème beaucoup plus difficile à réaliser en laboratoire que ce qui était initialement prévu".

Après avoir lancé les ondes d'Alfvén dans la chambre, les chercheurs devaient localiser un petit groupe d'électrons (moins de 1 sur 1 000) qui se déplaçaient à peu près à la même vitesse que les ondes — une aiguille dans une botte de foin. Ce serait l'indicateur que les électrons gagnent de la vitesse en chevauchant les ondes. "Il n'avait jamais été prouvé directement en laboratoire que cela fonctionnait réellement", a déclaré Gregory Howes. "Le défi majeur était donc de pouvoir montrer dans un plasma réel que cette idée théorique se concrétise."

Finalement, la simulation a montré — et les modèles mathématiques l'ont confirmé — que ce processus de "surf" des électrons donne lieu à de brillants spectacles lumineux sur Terre. "Cela résout la pièce clé du puzzle qui manquait pour comprendre ce que l'on appelle les arcs auroraux discrets", a précisé Gregory Howes. "Ce sont les rideaux de lumière chatoyants auxquels on pense quand on pense aux aurores."

Le grand dispositif à plasma de l'UCLA (Basic Plasma Science Facility). Basic Plasma Science Facility/UCLA

Les aurores ne se forment pas avant que les électrons ne soient proches de la Terre

Les chercheurs n'ont cependant pas réussi à recréer le spectacle lumineux des aurores boréales. En effet, ce phénomène se produit à une altitude beaucoup plus basse que les ondes d'Alfvén, et dans des conditions différentes. Le champ magnétique de la Terre lance les ondes d'Alfvén à environ 128 000 kilomètres au-dessus de la surface de la planète, explique Gregory Howes. Les électrons de la magnétosphère commencent alors à surfer sur ces ondes à une altitude d'environ 16 000 kilomètres.

Mais les aurores ne se forment pas avant que les électrons ne soient à environ 160 kilomètres de la Terre, a-t-il ajouté. À ce moment-là, les électrons se heurtent aux molécules d'oxygène et d'azote, libérant des photons — des particules de lumière. Dans ce processus, les atomes d'oxygène émettent une teinte rouge ou verte, tandis que les atomes d'azote émettent une lumière bleue ou violette.

Les chercheurs se sont contentés d'un spectacle lumineux beaucoup plus faible à l'intérieur du laboratoire "Le plasma lui-même brille — c'est très joli", a déclaré Gregory Howes. "Mais la lueur à laquelle on pense comme étant celle de ces électrons accélérés qui frappent le plasma n'est pas ce que nous voyons".

Version originale : Aria Bendix/Insider

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