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La lumière des aurores boréales est bien polarisée

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Une équipe de chercheurs vient, pour la première fois avec certitude, de mettre en évidence un phénomène de polarisation de la lumière en provenance de la haute atmosphère boréale.

Aurore boréale avec une émission très nette dans le rouge. Hampshire, Ile du Prince Edward, Canada. Crédit : Nasa

Si elle pourrait de prime abord paraître anodine, cette découverte ouvre, au contraire, de vastes perspectives. En astronomie, comme dans l'étude de nombreux phénomènes naturels, les observations se basent en grande partie sur l'analyse de la lumière émise. Une des caractéristiques principales de cette lumière est sa polarisation, un phénomène affecté par le champ magnétique présent à sa source. Cette polarisation permet ainsi de mieux connaître cette source, ainsi que son environnement.

Bien qu'un tel phénomène semblait déjà avoir été observé il y a un demi siècle par un chercheur australien, cette unique observation n'avait pas recueilli l'aval des scientifiques qui estimaient que la lumière émise dans la haute atmosphère sous la forme d'aurores boréales, aussi bien terrestre que planétaire, ne pouvait pas être polarisée. Car en effet, malgré le faible nombre de particules rencontrées à cette altitude (plus de 100 kilomètres), il s'en trouve toujours suffisamment pour provoquer de nombreuses collisions entre molécules et atomes de gaz, avec pour effet de dépolariser la lumière émise.

Nouvelles bases, nouvelles découvertes

Une équipe de chercheurs du Laboratoire de Planétologie de Grenoble (INSU - CNRS - Université Joseph Fourier) conduite par Jean Lilenstein, du CNRS, a reconsidéré le processus en se basant sur des connaissances qui n'étaient pas disponibles à l'époque. Le Soleil émet en permanence un puissant flux de particules hautement énergétiques, le vent solaire. Piégé par le champ magnétique terrestre, ce flot est contraint à pénétrer l'atmosphère par les pôles nord et sud. Les particules heurtent alors violemment les molécules de gaz qui s'excitent, puis se désexcitent en produisant une émission lumineuse : ce sont les aurores boréales.

La lumière observée a gardé en mémoire les caractéristiques du processus d'excitation, par exemple l'oxygène atomique émet une lumière rouge visible vers 220 km d'altitude.

Le vent solaire pénétrant l'atmosphère sous un angle homogène par effet d'entonnoir provoqué par le champ magnétique, les physiciens pensaient que la lumière induite pouvait être polarisée. Ils ont pour cela entamé une série d'observations avec des collègues d'Oslo et du Spitzberg. Située par 79° sud, l'archipel du Spitzberg permet des observations en continu durant la longue nuit polaire.

Conduites durant deux saisons, soit de décembre 2006 à janvier 2007 puis de décembre 2007 à janvier 2008, ces observations ont permis de mettre en évidence une lumière faiblement polarisée, dont les caractéristiques varient en livrant des informations sur l'énergie des particules solaires au moment où elles pénètrent dans l'atmosphère, tandis que l'intensité de cette polarisation témoigne de la composition de la haute atmosphère, notamment de la proportion d'oxygène atomique qu'elle contient.

Un nouvel outil à la disposition des chercheurs

Les physiciens n'en sont qu'au début de leurs observations. Il reste à présent à pousser les analyses pour recueillir de meilleures informations sur le vent solaire, la composition atmosphérique ou la configuration du champ magnétique.

Cette découverte ouvre aussi de nouvelles voies de recherches en planétologie. Par exemple, on ne comprend pas actuellement pourquoi le champ magnétique du Soleil, propulsé dans l'espace en même temps que la lumière ou les particules, s'enroule autour des planètes ne possédant pas de champ magnétique comme Vénus ou Mars. Les observations terrestres ayant démontré que la polarisation de la lumière émise par la haute atmosphère possède une orientation perpendiculaire à son champ magnétique, sa mesure autour de telles planètes devrait permettre de lever le voile sur cette énigme.

Bref, cette analyse de la polarisation devient un nouvel outil à la disposition des géophysiciens, et aussi des astrophysiciens et planétologues.

Cette étude fera l'objet d'une publication dans Geophysical Research Letters sous le titre Polarization in aurorae: a new dimension for space environments studies, sous la signature de J. Lilensten, J. Moen, M. Barthélemy, R. Thissen, C. Simon, D. A. Lorentzen, O. Dutuit, P. O. Amblard et F. Sigernes.

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