La lueur dansante des aurores boréales est l’un des plus beaux spectacles que notre ciel puisse offrir. Pourtant, ce phénomène fascinant n’est pas encore totalement compris.
Nous savons qu’il est produit par des particules soufflées par les tempêtes solaires, accélérées le long des lignes de champ magnétique de la Terre vers les hautes latitudes, où elles tombent en pluie dans la haute atmosphère. Là, les interactions avec les particules dans l’atmosphère génèrent des rideaux de lumière qui scintillent dans le ciel.
Aujourd’hui, pour la première fois, les scientifiques ont démontré et confirmé le mécanisme par lequel l’accélération des particules se produit, en reproduisant le processus en laboratoire. Comme les scientifiques l’avaient pensé, de puissantes ondes électromagnétiques, appelées ondes d’Alfvén, accélèrent les électrons le long des lignes du champ magnétique.
“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 avons pu confirmer définitivement que cela fonctionne”, a déclaré le physicien Craig Kletzing de l’université de l’Iowa.
“Ces expériences nous permettent d’effectuer les mesures clés qui montrent que les mesures spatiales et la théorie expliquent, en effet, une façon majeure dont les aurores sont créées.”
(Austin Montelius, Collège des arts libéraux et des sciences, Université de l’Iowa)
Nous connaissons les ondes d’Alfvén depuis longtemps. Elles ont été décrites pour la première fois par l’ingénieur électricien suédois Hannes Alfvén en 1942 : il s’agit d’ondes transversales dans un fluide électrique qui se propagent le long des lignes de champ magnétique. Ces ondes constituent un mécanisme important pour le transport de l’énergie et de la quantité de mouvement dans les systèmes magnétohydrodynamiques, c’est-à-dire qu’elles peuvent accélérer les particules.
Des ondes d’Alfvén ont été observées dans les lignes de champ magnétique de la Terre, et des engins spatiaux ont même observé des ondes d’Alfvén vers la Terre au-dessus des aurores boréales. Il est largement admis que les ondes d’Alfvén jouent un rôle dans l’accélération des électrons dans les aurores, mais la détermination du rôle exact a été quelque peu difficile.
Une équipe de scientifiques dirigée par le physicien Jim Schroeder du Wheaton College a donc utilisé le Large Plasma Device (LAPD) de l’université de Californie à Los Angeles pour étudier le phénomène de plus près. Il s’agit d’une chambre à vide cylindrique de 20 mètres de long (66 pieds) et de 1 mètre de diamètre, dotée d’un puissant champ magnétique.
“Cette expérience difficile nécessitait une mesure de la très petite population d’électrons se déplaçant dans la chambre LAPD à une vitesse presque identique à celle des ondes d’Alfvén, soit moins d’un électron sur mille dans le plasma”, a déclaré le physicien Troy Carter de l’UCLA.
L’équipe a généré des ondes d’Alfvén dans le plasma du LAPD et a mesuré simultanément la distribution de la vitesse des électrons, dans des conditions pertinentes pour la formation des aurores. Ils ont constaté que les ondes d’Alfvén transféraient de l’énergie aux électrons en résonance avec les ondes – une vitesse similaire à la vitesse de phase des ondes.
les mesures ont révélé que cette petite population d’électrons subit une “accélération résonante” par le champ électrique de l’onde d’Alfvén, un peu comme un surfeur qui attrape une vague et qui est continuellement accéléré alors qu’il se déplace avec la vague”, a déclaré le physicien Greg Howes de l’université de l’Iowa.
Ce processus est connu sous le nom d’amortissement de Landau, car le transfert d’énergie de la vague à la particule amortit la vague, ce qui empêche l’apparition d’une instabilité. Selon l’analyse de l’équipe, la signature produite par la vitesse de l’électron était la signature connue de l’amortissement de Landau, ce qui indique qu’une accélération par résonance s’est produite.
En comparant ensuite leurs résultats à un modèle d’aurore, l’équipe a pu démontrer que le taux d’excitation des électrons était conforme à l’amortissement de Landau dans la réalité.
“La concordance du taux d’excitation par électron entre l’expérience et un modèle d’aurore”, écrivent les chercheurs, “établit la connexion finale nécessaire pour montrer que nous avons fourni la confirmation expérimentale directe que les ondes d’Alfvén peuvent accélérer les électrons qui se précipitent dans l’ionosphère et génèrent la fascinante lueur de l’aurore.”
Les recherches ont été publiées dans Nature Communications.