Des physiciens dirigés par l'Université de l'Iowa rapportent des preuves définitives que les aurores qui illuminent le ciel dans les hautes latitudes sont causées par des électrons accélérés par une puissante force électromagnétique appelée ondes d'Alfven. Crédit :Auroral photographie :Alex Gerst, Nasa; Visualisation expérimentale des données :Steve Vincena, Université de Californie, Los Angeles
Les aurores boréales, ou aurores boréales, qui remplissent le ciel dans les régions de haute latitude fascinent les gens depuis des milliers d'années. Mais comment ils sont créés, bien que théorisé, n'avait pas été prouvé de façon concluante.
Dans une nouvelle étude, une équipe de physiciens dirigée par l'Université de l'Iowa rapporte des preuves définitives que les aurores les plus brillantes sont produites par de puissantes ondes électromagnétiques pendant les orages géomagnétiques. Les phénomènes, connu sous le nom de vagues d'Alfven, accélérer les électrons vers la Terre, provoquant les particules pour produire le spectacle de lumière atmosphérique familier.
L'étude, publié en ligne le 7 juin dans la revue Communication Nature , conclut une quête de plusieurs décennies pour démontrer expérimentalement les mécanismes physiques de l'accélération des électrons par les ondes d'Alfven dans des conditions correspondant à la magnétosphère aurorale de la Terre.
"Les mesures ont révélé que cette petite population d'électrons subit une" accélération de résonance "par le champ électrique de l'onde d'Alfven, semblable à un surfeur attrapant une vague et étant continuellement accéléré lorsque le surfeur se déplace avec la vague, " dit Greg Howes, professeur agrégé au Département de physique et d'astronomie de l'Iowa et co-auteur de l'étude.
Les scientifiques savent que les particules énergisées qui émanent du soleil, telles que les électrons se déplaçant à environ 45 millions de miles par heure, se précipitent le long des lignes de champ magnétique de la Terre dans la haute atmosphère, où ils entrent en collision avec des molécules d'oxygène et d'azote, les mettant dans un état excité. Ces molécules excitées se détendent en émettant de la lumière, produisant les teintes colorées de l'aurore.
Des physiciens dirigés par l'Université de l'Iowa rapportent des preuves définitives de la façon dont les aurores sont créées. Dans les expériences, les physiciens ont démontré les mécanismes physiques de l'accélération des électrons par les ondes d'Alfven dans des conditions correspondant à la magnétosphère aurorale terrestre. Crédit :Austin Montelius.
La théorie a été soutenue par des missions spatiales qui ont fréquemment trouvé des ondes d'Alfven voyageant vers la Terre au-dessus des aurores, probablement en accélérant les électrons en cours de route. Bien que les mesures spatiales aient soutenu la théorie, les limitations inhérentes aux mesures des engins spatiaux et des fusées avaient empêché un test définitif.
Les physiciens ont pu trouver des preuves de confirmation dans une série d'expériences menées au Large Plasma Device (LPD) dans le Basic Plasma Science Facility de l'UCLA, un centre de recherche collaboratif national soutenu conjointement par le département américain de l'Énergie et la National Science Foundation.
"L'idée que ces ondes peuvent dynamiser les électrons qui créent l'aurore remonte à plus de quatre décennies, mais c'est la première fois que nous avons pu confirmer définitivement que cela fonctionne, " dit Craig Kletzing, professeur au Département de physique et d'astronomie de l'Iowa et co-auteur de l'étude. "Ces expériences nous permettent de faire les mesures clés qui montrent que les mesures spatiales et la théorie le font, En effet, expliquent une manière majeure dont les aurores sont créées."
Le phénomène des électrons « surfant » sur le champ électrique d'une onde est un processus théorique connu sous le nom d'amortissement de Landau, proposé pour la première fois par le physicien russe Lev Landau en 1946. Grâce à des simulations numériques et à la modélisation mathématique, les chercheurs ont démontré que les résultats de leur expérience concordaient avec la signature prédite de l'amortissement de Landau.
L'accord d'expérience, simulation, et la modélisation fournit la première preuve directe que les ondes d'Alfven peuvent produire des électrons accélérés, provoquant l'aurore, dit Troy Carter, professeur de physique à l'UCLA et directeur de l'UCLA Plasma Science and Technology Institute.
"Cette expérience difficile nécessitait une mesure de la très petite population d'électrons se déplaçant dans la chambre LPD à presque la même vitesse que les ondes d'Alfven, comptant moins d'un électron sur mille dans le plasma, " dit Carter.
