Des physiciens résolvent un mystère entourant les aurores boréales –

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  • Les aurores boréales aux couleurs spectaculaires – ou aurores boréales – qui remplissent le ciel dans les régions des hautes latitudes fascinent les gens depuis des milliers d’années. Maintenant, une équipe de scientifiques a résolu l’un des derniers mystères entourant son origine.

    Les scientifiques savent que les électrons et autres particules sous tension qui émanent du soleil dans le cadre du « vent solaire » descendent les lignes de champ magnétique de la Terre et pénètrent dans la haute atmosphère, où ils entrent en collision avec des molécules d’oxygène et d’azote, les propulsant dans un état excité. Ces molécules se détendent ensuite en émettant de la lumière, produisant les belles teintes vertes et rouges de l’aurore.

    Ce qui n’a pas été bien compris, c’est précisément comment les groupes d’électrons accélèrent à travers le champ magnétique lors de la dernière étape de leur voyage, atteignant des vitesses allant jusqu’à 45 millions de mph. Dans une étude publiée aujourd’hui dans la revue Communication Nature, cette question est répondue par des physiciens de l’UCLA, du Wheaton College, de l’Université de l’Iowa et du Space Science Institute.

    Une théorie populaire a été que les électrons font du stop sur les ondes d’Alfvén – un type d’onde électromagnétique que les engins spatiaux ont fréquemment identifié voyageant vers la Terre le long des lignes de champ magnétique au-dessus des aurores. Alors que la recherche spatiale a fortement soutenu la théorie, les limitations inhérentes aux mesures des engins spatiaux ont empêché un test définitif.

    Pour surmonter ces limitations, les physiciens ont mené des expériences en laboratoire sur le Large Plasma Device au Basic Plasma Science Facility de l’UCLA, un site national de recherche collaborative soutenu conjointement par le département américain de l’Énergie et la National Science Foundation.

    Après avoir reproduit des conditions qui imitaient celles de la magnétosphère aurorale de la Terre, l’équipe a utilisé des instruments spécialement conçus pour lancer des ondes d’Alfvén dans la chambre de 20 mètres de long du dispositif à plasma. Comme on pense que les ondes d’Alfvén ne collectent qu’une petite partie des électrons dans le plasma de l’espace, les physiciens se sont attachés à déterminer s’il y avait des électrons qui semblaient voyager à une vitesse comparable au champ électrique des ondes.

    “Cette expérience difficile nécessitait une mesure de la très petite population d’électrons se déplaçant dans la chambre à presque la même vitesse que les ondes d’Alfvén, comptant moins d’un électron sur mille dans le plasma”, a déclaré Troy Carter, professeur de physique et directeur du UCLA Plasma Science and Technology Institute.

    “Les mesures ont révélé que cette petite population d’électrons subit une” accélération résonnante “par le champ électrique de l’onde d’Alfvén, semblable à un surfeur attrapant une vague et étant continuellement accéléré lorsque le surfeur se déplace avec la vague”, a déclaré Gregory Howes, professeur agrégé de physique à l’Université de l’Iowa.

    Howes a noté que ces ondes d’Alfvén apparaissent à la suite de tempêtes géomagnétiques, des phénomènes spatiaux déclenchés par des événements violents sur le soleil, tels que des éruptions solaires et des éjections de masse coronale. Ces tempêtes peuvent provoquer ce que l’on appelle une “reconnexion magnétique” dans le champ magnétique terrestre, dans laquelle les lignes de champ magnétique sont étirées comme des élastiques, se cassent puis se reconnectent. Ces décalages lancent des ondes d’Alfvén le long des lignes vers la Terre.

    Et parce que les régions de reconnexion magnétique se déplacent pendant une tempête, les ondes d’Alfvén – et les électrons de surf qui les accompagnent – voyagent le long de différentes lignes de champ au cours de cette période, conduisant finalement à la lueur scintillante des rideaux de lumière des aurores, a déclaré Carter.

    En physique, les électrons surfant sur le champ électrique d’une onde sont un phénomène connu sous le nom d’amortissement de Landau, dans lequel l’énergie de l’onde est transférée aux particules accélérées. Dans le cadre de leurs recherches, l’équipe a utilisé une technique d’analyse innovante qui combinait des mesures du champ électrique des ondes d’Alfvén et des électrons pour générer une signature unique de l’accélération des électrons par amortissement de Landau. Grâce à des simulations numériques et à une modélisation mathématique, les chercheurs ont démontré que la signature de l’accélération mesurée dans l’expérience concordait avec la signature prédite pour l’amortissement de Landau.

    L’accord de l’expérience, de la simulation et de la modélisation fournit le premier test direct montrant que les ondes d’Alfvén peuvent produire des électrons accélérés qui provoquent les aurores, a déclaré Carter.

    “Cette confirmation expérimentale de la physique derrière les aurores est due à l’ingéniosité persistante des groupes de recherche de l’Université de l’Iowa et de l’UCLA”, a déclaré Vyacheslav (Slava) Lukin, directeur du programme de physique des plasmas à la National Science Foundation, qui n’était pas impliqué dans la recherche. « Du soutien aux étudiants via une bourse de recherche d’études supérieures de la NSF, au programme NSF CAREER pour les professeurs en début de carrière, en passant par le partenariat de 25 ans entre la NSF et le ministère de l’Énergie qui a permis les capacités uniques du Basic Plasma Science Facility, il s’agit d’un histoire à succès d’une découverte rendue possible grâce au soutien constant de la communauté de recherche universitaire. »

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