Une publication dans Geophysical Research Letters

Aurores discrètes sur Mars : le rôle de la reconnexion magnétique



Les images UV de la mission Emirates Mars Mission (EMM) montrent que des aurores discrètes apparaissent dans l'atmosphère martienne juste après le crépuscule. Les émissions UV sont plus lumineuses dans l'hémisphère sud de la planète, près du bas de l'image. Les lignes de contour montrent les régions où le champ magnétique de Mars est le plus intense. Les lignes roses (bleues) correspondent aux orientations du champ ayant une composante verticale positive (négative) (Crédit : R. Lillis/University of California Berkeley/University of Colorado/UAE Space Agency).

Une étude internationale menée par l'University of Colorado Boulder (Etats-Unis) et à laquelle ont participé des scientifiques du Laboratoire de Physique Atmosphérique et Planétaire (LPAP) de l’Université de Liège démontre que la reconnexion magnétique - un processus par lequel la topologie du champ magnétique d'une planète est ré-arrangée et une partie de l'énergie convertie - provoque les aurores martiennes. Cette étude fait l'objet d'une publication dans Geophysical Research Letters.

L'

aurore boréale est l’un des phénomènes naturels les plus spectaculaires. La présence de phénomènes similaires dans le ciel nocturne de Mars est surprenante car cette planète est plus petite que la Terre et dépourvue de champ magnétique global. Seule une région de l’hémisphère sud possède un champ magnétique, résidu du passé, piégé dans la croute planétaire. Une étude menée par une équipe de l'University of Colorado Boulder - et à laquelle ont participé des chercheurs de l'Université de Liège - vient d’identifier les processus physiques à l'origine de ce type d'aurore qui se produit principalement dans l'hémisphère sud de Mars. Cette étude décrit des observations basées sur des engins spatiaux qui révèlent des interactions entre les champs magnétiques locaux et interplanétaires activant les "lumières du sud" de la planète rouge. Elle montre que l'orientation du champ magnétique du vent solaire par rapport aux lignes du champ de Mars change au fur et à mesure de la rotation de la planète, créant ainsi des conditions propices à la reconnexion magnétique.

En 2005, les premières émissions lumineuses d'aurores martiennes ont été détectées au-dessus des régions magnétisées. Depuis lors, des hypothèses ont été émises sur ce qui provoque ces aurores. Des membres du Laboratoire de Physique Atmosphérique et Planétaire (LPAP / Unité de recherches STAR) de l’Université de Liège sont activement impliqués dans l'étude des phénomènes auroraux dans notre système solaire, en particulier sur Terre, Jupiter et ses lunes et Saturne. Ils ont également étudié les aurores de Mars avec les missions Mars Express et Mars Atmosphere and Volatile Evolution (MAVEN). En utilisant des instruments spectroscopiques sur la sonde Mars Express de l'ESA, les chercheurs de l'ULiège avaient cartographié les émissions UV sporadiques du côté nocturne de Mars dans l'hémisphère sud de la planète. Actuellement, le LPAP participe aux missions MAVEN de la NASA et EMM des Emirats Arabes qui acquiert de magnifiques images des aurores dans l'ultraviolet lointain.

Aurores, discrètes?

Contrairement à leur nom, les aurores dites discrètes sont en fait spectaculaires et peuvent s’étendre sur des kilomètres. Les processus responsables d'une aurore dépendent des caractéristiques planétaires, notamment la géométrie du champ magnétique ainsi que la densité et la composition atmosphériques de la planète. Les aurores sur Terre, Jupiter, et Saturne sont liées à des champs magnétiques dipolaires  globaux générés par des mouvements de convection à l'intérieur de chaque planète. "On pense que Mars, dans son état primitif, possédait un champ magnétique planétaire similaire, explique Jean-Claude Gérard, chercheur au LPAP,  mais des indices suggèrent que ce champ s'est éteint il y a plusieurs milliards d'années."

L’hypothèse avait alors été émise que les aurores discrètes résultaient de l'interaction entre le champ magnétique transporté par le vent solaire et les champs magnétiques rémanents de Mars. Cependant, les processus physiques spécifiques responsables des aurores discrètes restaient à comprendre. Récemment, l’imageur spectral IUVS de l’Université du Colorado à bord de l'orbiteur Mars Atmosphere and Volatile Evolution (MAVEN) de la NASA a transmis une série d'images spectrales ultraviolettes d'aurores discrètes localisées s'illuminant à différents endroits et moments de la nuit. ‘’Nous avons observé que les aurores discrètes se produisent de manière plus distincte dans deux régions adjacentes de la surface. Ces régions ont une polarité opposée : les lignes du champ magnétique de l'une pointent vers le nord, tandis que celles de l'autre pointent vers le sud’’ s’enthousiame Lauriane Soret, chercheuse au LPAP et co-autrice de l’article. Les lignes du champ magnétique interplanétaire peuvent pointer dans différentes orientations, mais l'équipe a montré que l'activité aurorale se produisait principalement lorsque les lignes de champ sont antiparallèles aux lignes crustales de l'une des régions. Cet alignement se produit à des moments différents de la nuit, juste après le crépuscule et juste avant l'aube, pour les deux régions magnétiques.

Reconnexion magnétique

Ce processus, dont on parle, est connu en physique des plasmas sous le nom de reconnexion magnétique. En simplifiant, il s'agit de la tendance des lignes de champ magnétique antiparallèles à se réarranger dans un ordre différent en libérant de l'énergie dans le processus et en ‘’ouvrant’’ les lignes de champ qui sont normalement bouclées et forment une sorte de barrière magnétique. Cette ouverture permet l’entrée des électrons du vent solaire vers l’atmosphère. Ces électrons entrent en collision avec les molécules de l'atmosphère martienne et les excitent, produisant des aurores. "Les aurores sont un phénomène finalement très répandu dans l’univers. Elles résultent d’un enchainement de processus physiques complexes depuis le soleil jusqu’aux atmosphères. Comme sur Terre, elles apparaissent variables et insaisissables. Ce travail fournit la preuve la plus évidente à ce jour que la reconnexion magnétique provoque les aurores martiennes ajoute Lauriane Soret. En outre, les émissions lumineuses observées dans l’ultraviolet doivent être accompagnées d'émissions dans le domaine visible. Un projet de mission, baptisé M-MATISSE, a été soumis à l’Agence Spatiale Européenne. Il devrait emporter une caméra fournie par une équipe japonaise qui sera capable d’observer globalement ces aurores visibles sur la face norcturne. Lauriane Soret sera la co-responsable de l’équipe scientifique.

Rencontre lignes champs magnetique

La recontre entre les lignes de champ magétique terrestres (en bleu, jaune et vert) et celles, anti-parallèles, du vent solaire (en rouge) crée une ouverture vers l’espace interplanétaire. L’énergie libérée lors du processus de reconnexion peut accélérer les particules chargées et créer les aurores. Un processus analogue est maintenant observé dans certaines zones de l’hémiphère sud de Mars. Crédit : Science@NASA.

’Il reste beaucoup d’aspects à élucider dans le comportement et l’origine des aurores de Mars. En particulier, nous ignorons toujours par quel mécanisme les particules aurorales sont précipitées dans l’atmosphère martienne. La comparaison avec la Terre et d’autres corps célestes où des aurores sont observées nous apprend combien les processus en jeux sont variés’’ souligne Jean-Claude Gérard également co-auteur de cette étude.  ‘’L’étude des interactions du vent solaire avec la magnétosphère et l'atmosphère de Mars permettra de comprendre comment Mars a perdu l’essentiel de son atmosphère en lien avec les événements solaires et comment elle a évolué d'une planète autrefois humide au désert que nous voyons aujourd'hui" conclut Lauriane.

Référence scientifique

J. Johnston, N. M. Schneider, S. K. Jain, Z. Milby, J. Deighan, C. F. Bowers, G. A. DiBraccio, J.-C. Gérard, L. Soret, Z. Girazian, D. A. Brain, S. Ruhunusiri, S. Curry, Discrete aurora at Mars: Insights into the role of magnetic reconnection, Geophys. Res.Lett. 50 (2023).

Vos contacts à l'ULiège

Lauriane Soret

Jean-Claude Gérard

Partagez cette news