Les aurores boréales ont toujours fait lever les yeux des Hommes au ciel. Les astronomes savent qu’elles naissent de particules soufflées jusqu’à la Terre par les tempêtes solaires. Mais les mécanismes qui se cachent derrière restent difficiles à élucider. Aujourd’hui, des chercheurs ont pour la première fois réussi à mesurer en laboratoire l’un des processus soupçonnés. © mumemories, Adobe Stock
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Des physiciens ont décrypté le secret des aurores boréales

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[EN VIDÉO] Mystérieuses aurores boréales et australes  Découvrez le fascinant phénomène des aurores polaires dans cette sélection des plus belles d'entre elles. Vues du sol, de l'orbite terrestre... ou de beaucoup plus loin. 

Les aurores boréales ont toujours fait lever les yeux des Hommes au ciel. Les astronomes savent qu'elles naissent de particules soufflées jusqu'à la Terre par les tempêtes solaires. Mais les mécanismes qui se cachent derrière restent difficiles à élucider. Aujourd'hui, des chercheurs ont pour la première fois réussi à mesurer en laboratoire l'un des processus soupçonnés.

Le spectacle des aurores boréales est un spectacle merveilleux. Depuis la nuit des temps, il fascine les Hommes. Plus récemment, les chercheurs ont théorisé l'origine du phénomène. Mais ils n'avaient encore jamais pu apporter la preuve de leurs hypothèses. C'est désormais chose faite grâce à des physiciens de l’université de l’Iowa (États-Unis). Du moins pour les aurores polaires dites de forme discrète.

Ce sont les plus connues. Elles se présentent comme de longs arcs, des rideaux de lumière ondulants. Elles sont produites par de puissantes ondes électromagnétiques, les ondes d'Alfvén. Elles-mêmes naissent dans les orages géomagnétiques. Et elles accélèrent les électrons vers la Terre, les amenant à allumer dans le ciel ces bandeaux de couleurs féériques. Voici pour la théorie qui date d'il y a plus de quarante ans. Une théorie soutenue par quelques mesures satellite qui semblent bien révéler la présence d'ondes d'Alfvén voyageant vers la Terre au-dessus des aurores boréales.

Résultat de plusieurs décennies de travail, une étude démontre aujourd'hui expérimentalement les mécanismes physiques de l'accélération des électrons par les ondes d'Alfvén. Dans leur expérience, les chercheurs ont lancé de telles ondes dans la chambre du Large Plasma Device de l'université de Californie à Los Angeles (États-Unis). Un cylindre de 20 mètres de long et de 1 mètre de diamètre. Ils ont ensuite mesuré l'accélération des électrons. Les simulations numériques et la modélisation mathématique montrent que la signature de cette accélération concorde bien avec celle prédite pour l'amortissement de Landau.

Sur cette illustration, le vent solaire qui arrive de la gauche, la reconnexion magnétique qui se produit dans la magnétoqueue de notre Terre et les électrons accélérés qui « surfent » sur les ondes d’Alfvén. © Austin Montelius, Université de l’Iowa

Des électrons comme des surfeurs

L'amortissement de Landau ? Pour comprendre, remontons le fil de l'histoire. Et rappelons que les éruptions solaires ou les éjections de masse coronale peuvent perturber fortement le flux du vent solaire. De quoi déclencher des tempêtes géomagnétiques sur la Terre. Elles s'accompagnent de certaines des manifestations aurorales les plus intenses. Dans la magnétoqueue distante de la Terre, les tempêtes géomagnétiques sont à l'origine d'un processus de reconnexion magnétique. Les lignes de champ se brisent et se reforment, pour finalement revenir vers la Terre. Un peu comme un élastique étiré et soudainement relâché. Ce rebond du champ magnétique lance des ondes d'Alfvén qui se déplacent vers notre Planète le long du champ magnétique.

Arrive le moment où une petite population d'électrons, qui se déplacent dans la même direction qu'une onde d'Alfvén, peut être accélérée à des vitesses plus élevées. Les physiciens parlent d'accélération résonnante. Comme celle d'un surfeur attrapant une vague. Ces électrons donc, surfent sur le champ électrique de l'onde d'Alfven, gagnant de la vitesse grâce à ce mécanisme connu sous le nom d'amortissement de Landau -- le fameux... -- dans lequel l'énergie de l'onde est transférée aux électrons accélérés, empêchant l'apparition d'une instabilité. Le processus a été découvert pour la première fois en 1946.

Les électrons se déplacent alors à des vitesses allant jusqu'à 20.000 km/s. Ils descendent le long du champ magnétique terrestre et finissent par entrer en collision avec les atomes et molécules d'oxygène et d'azote dans l'air raréfié de la haute atmosphère. Une rencontre qui donne naissance à ces magnifiques rideaux de lumière qui scintillent alors dans le ciel polaire.

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