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2020-03-28

Les limites de la Terre, où peuvent-elles bien être ? Nos arrière-arrière-arrière-grands-pères et grands-mères ont réfléchi à cette question avec la conviction qu'il fallait bien la trouver quelque part. Bien sûr, nous savons maintenant qu'il n'y a ni fin ni limite puisque nous vivons sur une sphère (même si, malheureusement, certains semblent ne pas avoir encore saisi cette idée), mais il existe bien des endroits où l'on peut avoir l’impression de se trouver aux confins de la planète.

Aux pôles de notre globe terrestre, le champ magnétique plonge vers le centre de la Terre pour se connecter au noyau métallique qui l'alimente, avec un effet secondaire particulier : l'apparition d'aurores dans ces régions. Ces structures lumineuses et ondulantes dans le ciel sont la preuve que quelque chose d'étranger à la Terre - les particules énergétiques que le Soleil nous envoie - a interagi avec le champ magnétique qui nous entoure. Cette interaction se produit en plusieurs étapes complexes, avec pour résultat final que les atomes d'oxygène ou d'azote de l'atmosphère terrestre reçoivent un supplément d'énergie. Ils réémettent ensuite cette énergie sous forme de lumière, de différentes couleurs en fonction des atomes et de l’énergie ré-émise: rouge (oxygène au-dessus de 200 km), vert (oxygène entre 100 et 200 km) et violet/bleu (azote en dessous de 100 km).

--Lié avec cet article : Le récit personnel d'Emmanuel Dekemper sur les aventures de l'équipe en Norvège--

Comment pouvons-nous ‘voir’ le champ magnétique?

De la même façon que les ondes lumineuses provenant d'étoiles lointaines transportent de l’information sur ces étoiles, la lumière émise par les aurores nous en apprend sur elles. Plus particulièrement sur les lignes de champ magnétique, puisque ces deux-là sont étroitement liées. Les scientifiques, avec l'aide d'ingénieurs, peuvent décoder ces informations en examinant une caractéristique de cette lumière : sa polarisation. Il s'agit d'une mesure de la direction du champ électrique de l'onde lumineuse. La plupart de la lumière que nous voyons est non polarisée, ce qui signifie que le champ électrique de l'onde est dirigé dans toutes les directions.

Electric and magnetic fields of electromagnetic waves
Figure 2: Diagramme des champs électriques et magnétiques associés aux ondes électromagnétiques. Source: Nicepng.

Lorsque la lumière rebondit sur une surface, la direction du champ change, et les ondes qui suivent le même chemin ont tendance à avoir des champs électriques et magnétiques pointant plus souvent dans une direction spécifique. Par exemple, la lumière du Soleil qui rebondit sur la Lune, puis rebondit à nouveau sur les molécules de l'atmosphère terrestre, se polarise avant d'atteindre nos yeux. En bref, une lumière polarisée peut nous en apprendre sur les phénomènes physiques qu’elle a endurés sur son parcours, voire même, dans le cas des aurores, sur l’état des atomes qui l’a générée. En effet, le champ magnétique de la Terre est susceptible d’influer sur les transitions électroniques qui produisent les émissions aurorales.

Comment pouvons-nous ‘voir’ la polarisation?

Aujourd'hui, la détection de la polarisation de la lumière peut être délicate. On ne peut pas simplement la voir, ce serait trop facile. Les physiciens et les ingénieurs de l’IASB utilisent deux approches : les instruments PLIP (Polar Lights Imaging Polarimeter) et ASPA (AOTF-based Spectro-Polarimeter for Auroras), qu'ils sont allés tester à l'observatoire de Skibotn, dans les régions froides du nord de la Norvège.

Pourquoi en février ? Les nuits devaient être suffisamment longues pour augmenter les chances de voir les aurores, et il ne devait pas faire trop froid pour que les instruments fonctionnent correctement. Les températures nocturnes représentaient déjà un défi pour cette mission : essayer de maintenir une boîte métallique à température ambiante pendant des heures à -10°C n’est pas facile, et s'asseoir dessus ne servira à rien. En gardant cela à l'esprit, la fin de l'hiver ou la fin de l'automne sont les meilleurs moments pour la recherche sur le terrain des aurores.

Les scientifiques Hervé Lamy, Gaël Cessateur, Emmanuel Dekemper et ingénieur Jurgen Vanhamel ont voyagé loin vers le nord afin de développer et tester le nouvel instrument ASPA. En outre, l'instrument PLIP (Polar Lights Imaging Polarimeter) a été développé davantage lors de son deuxième voyage à l'observatoire. Voici comment les instruments fonctionnent.

PLIP

PLIP est un ensemble de deux caméras adaptées. Les filtres infrarouges ont été retirés et remplacés par des filtres qui ne laissent passer que les couleurs rouge et verte. Cela permet de bien voir la partie rouge du spectre lumineux, dont la polarisation a été confirmée par plusieurs études. La lumière verte, au contraire, ne devrait -en théorie- pas être polarisée.

PLIP set-up
Figure 3: PLIP pendant sa première mission à Skibotn en 2019. Crédit: Hervé Lamy.

Installés côte à côte, les caméras regardent la même zone du ciel. La seule différence entre les deux est qu'elles sont également équipées de polariseurs. Un des polariseurs est à 0° tandis que l'autre est à 90°. Elles peuvent donc mesurer chacune une direction de polarisation. Ensemble, elles nous permettent d'estimer la polarisation des émissions de lumière aurorale.

Ensuite, nous superposons aussi les deux images (rouge et verte) des deux caméras, en utilisant des étoiles en arrière-plan pour nous assurer qu'elles s'alignent parfaitement. Nous analysons alors un petit groupe de pixels à la fois afin de détecter la polarisation de la lumière, et si elle est polarisée, à quel degré.

ASPA

L'idée d'ASPA n'est venue que très récemment. L'instrument a été développé dans un délai très court, afin qu'il soit prêt pour un premier test sur le terrain. L'élément novateur d'ASPA est l'utilisation d'un AOTF (Acousto-Optical Tunable Filter) comme filtre polarisant. Ce type de filtre est déjà utilisé dans d'autres instruments à l’IASB (par exemple, la mission ALTIUS) et a trouvé son chemin vers la recherche sur les aurores grâce à la communication et à la collaboration interdisciplinaires.

Le filtre AOTF est composé d'un cristal de dioxyde de tellurium (TeO2). Un AOTF fonctionne grâce à la « biréfringence » de ce matériau : la vitesse de la lumière lorsqu’elle traverse ce cristal varie en fonction de sa polarisation. De plus, il est possible d’isoler une fine partie du spectre lumineux grâce à l’intéraction « acousto-optique », c’est-à-dire le transfert d’énergie entre une onde sonore et la lumière se rencontrant dans le cristal. Deux faisceaux optiques sont générés à la sortie de l'AOTF, qui correspondent à deux états de polarisation. On peut ainsi mesurer le degré de polarisation de la lumière captée, pour une longueur d’onde précise.

La principale différence entre PLIP et ASPA est que le premier est capable de prendre des images larges de l'aurore, avec une certaine sensibilité à sa polarisation, mais une faible sélectivité spectrale. Alors que le second a un champ de vision très réduit, mais a une sensibilité à la polarisation et une sélectivité spectrale beaucoup plus élevées. Un bel exemple de complémentarité de deux approches scientifiques.

Preparing ASPA
Figure 4: Jurgen Vanhamel (gauche) et Emmanuel Dekemper (droite) preparent ASPA (milieu) pour le monde extérieur. Crédit: Gaël Cessateur.

Les défis du travail scientifique sur le terrain

Avant même que l'équipe ne puisse tenter de faire les premières mesures sur le terrain avec ASPA, d'autres obstacles sont apparus qui vont de pair avec le travail scientifique sur le terrain au-delà du cercle polaire. Jurgen donne son compte-rendu des défis techniques. (Lecture recommandée : Le récit personnel d'Emmanuel sur le voyage en Norvège.)

Jurgen

L'instrument ASPA est conçu pour observer la polarisation (éventuelle) des aurores. Nous avons donc pris ASPA pour effectuer des mesures à l'observatoire de Skibotn, dans le nord de la Norvège, un endroit qui dispose de toutes les installations nécessaires pour étudier les aurores boréales. À l'observatoire, nous avons rejoint une équipe française qui effectuait également ses propres mesures des aurores.

Comme le stipule la loi de Murphy, certaines choses sont vouées à mal tourner, et nous avons eu quelques problèmes avec la livraison de notre instrument. Une boîte s'est même retrouvée à Madrid ! Il a fallu quelques jours avant que nous recevions deux des trois colis, et nous avons dû faire un aller-retour cahoteux (et enneigé) de Skibotn à Tromsø pour récupérer le matériel. Il faut vraiment faire attention en conduisant sur une route enneigée et glissante ! Nous n’étions pas habitués à cela.

En raison du manque de matériel mentionné ci-dessus (qui a fini à l'autre bout de l'Europe), nous avons dû aller à l'université de Tromsø, pour voir s'ils pouvaient nous aider avec nos pièces manquantes. Heureusement, ils ont pu nous aider et ils nous ont fourni des éléments cruciaux. Grâce à leur matériel, nous avons (enfin !) pu effectuer quelques premières mesures avec ASPA. Quelques jours plus tard, la boîte manquante est arrivée et nous avons pu remonter l'instrument comme prévu initialement, mais non sans un autre aller-retour risqué à Tromsø !

D'un point de vue technique, l'instrument a donné de très bons résultats. Il a été placé à l'extérieur dans l'environnement rude, froid et venteux du grand Nord norvégien. Les températures sont descendues jusqu’à -10°C, et le vent amplifiait encore plus la sensation de froid. Nous avons également dû nous assurer que l'instrument était placé sur une surface solide, afin d'obtenir des mesures fiables et de bonne qualité. Grâce à la conception et à l'utilisation d'un système de chauffage à l'intérieur du boîtier de l'instrument, la température à l'intérieur du boîtier a été maintenue à un confortable 16°C. De cette façon, l'électronique et l'optique peuvent survivre aux conditions de froid. Les résultats optiques ont montré une nette sensibilité de l'instrument aux aurores observées.

Les forces de la nature

Malheureusement, un autre défi de l'étude des aurores est la nature inconstante du phénomène. Il est presque impossible de prévoir si et quand les aurores seront visibles, et quelle sera leur intensité (de nombreux facteurs sont en jeu, comme l'activité solaire, les nuages, la Lune ou la pollution lumineuse,...). Au cours de la mission de 10 jours, les aurores étaient faibles ou absentes, alors que les instruments ont besoin d'un signal fort (avec suffisamment de lumière) pour produire des données significatives. De plus, la Lune était très présente et, comme expliqué précédemment, la lumière de la Lune est polarisé et ‘pollue’ les données. Bien que PLIP n'ait pu capturer que quelques aurores boréales, ASPA a eu du mal à obtenir un signal suffisamment fort pour produire des données significatives.

La bonne nouvelle est que les instruments ont fonctionné comme prévu et sont prêts à être testés à nouveau lors de la prochaine mission, prévue en octobre de cette année. Nous sommes impatients de réessayer avec un peu plus de chance et des aurores plus fortes !

Night Sky Skibotn
Figure 6: Un beau ciel de nuit à l'observatoire de Skibotn, mais malheureusement peu d'activité aurorale pendant la mission de cette année. Crédit: Gaël Cessateur.

Vidéo des Aurores

Vidéo des Aurores à travers les yeux de PLIP en 2019.

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Figure 1: Les aurores peuvent prendre différentes couleurs correspondant à différentes transitions énergétiques ou à différents atomes, sur une large gamme d’altitudes : rouge (oxygène au-dessus de 200 km), vert (oxygène entre 100 et 200 km) et violet/bleu (azote en dessous de 100 km). Crédit: Gaël Cessateur.
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Figure 5: Skibotn se trouve au-dessus du cercle polaire, près de Tromsø.