Deux publications dans le Journal of Geophysical Research

Les aurores de Mars livrent leurs secrets



Des électrons énergétiques précipitent dans l’atmosphère de Mars en suivant des lignes de champ magnétique ouvertes (spirales rouges). Ces électrons interagissent avec les molécules présentes dans l’atmosphères martienne, ce qui produit une émission aurorale très localisée, représentée ici par une lueur rougeâtre. Cette émission aurorale est détectée par l’instrument IUVS à bord du satellite MAVEN de la NASA dont le champ de vision est indiqué en traits fins. (Crédit : Anil Rao, LASP, Université du Colorado).

Deux nouvelles études menées par une équipe de chercheurs du Laboratoire de Physique Atmosphérique et Planétaire (LPAP) de l’Université de Liège en collaboration avec l’Université du Colorado à Boulder (USA), nous dévoilent de nouvelles informations importantes sur le mécanisme de formation des aurores qui se produisent sur Mars. Des aurores dites « discrètes » et pourtant bien différentes de celles qui se produisent sur Terre. Ces recherches ont fait l’objet de deux publications dans la revue Journal of Geophysical Research.

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n le sait, Mars ne possède pas de champ magnétique similaire à celui que nous avons sur Terre. Aujourd’hui, le champ magnétique de Mars n’est plus qu’un vestige d’un champ magnétique actif datant d’il y a plusieurs milliards d’années. Sur Terre, c’est ce champ magnétique actif qui guide les particules vers les régions polaires Nord et Sud, créant ce que l’on appelle des aurores boréales ou australes, en fonction du pôle où elles se produisent. Malgré cette absence de champ magnétique actif, la planète rouge héberge elle aussi ses aurores. Mais des aurores qui ne sont pas tout à fait les mêmes que celle observées sur Terre. «Les roches volcaniques magnétisées enfermées sous la surface de Mars sont à l’origine de son champ magnétique résiduel et nous avons pu constater que les aurores se concentrent près de ces zones, explique Lauriane Soret, chercheuse au sein du Laboratoire de Physique Atmosphérique et Planétaire (LPAP/STAR Institute) de l’Université de Liège et auteure d’une des publications du Journal of Geophysical Research (2). De ce fait, depuis leur découverte, les aurores martiennes ont toujours été considérées comme rares et imprévisibles.»  Ces aurores dites  « discrètes » car éparses et éphémères, ont été observées par le satellite MAVEN de la NASA en orbite autour de la planète rouge, et mises en lumière en 2005 par le satellite Mars Express de l’Agence Spatiale Européenne (ESA).

Une nouvelle étude (1) vient toutefois de démontrer que l’occurrence de ces aurores ne serait pas si discrète que cela. Selon des données transmises par l’instrument IUVS (Imaging UltraViolet Spectrograph), le spectrographe imageur ultraviolet embarqué à bord de la sonde MAVEN, plusieurs centaines d’aurores discrètes ont été détectées au cours des six dernières années, démontrant que ce type d’aurores est finalement assez commun et prévisible près des zones de champ magnétique intense. C’est le vent solaire (un courant de particules faiblement magnétisées provenant du Soleil) qui influence fortement ces évènements auroraux. Lorsque les conditions de vent solaire sont propices, il semble que les aurores se produisent en soirée durant plusieurs heures. « Une corrélation temporelle entre la détection d’une aurore et la présence d’une précipitation intense d’électrons mesurée à bord de MAVEN a pu être observée, reprend Jean-Claude Gérard, chercheur au LPAP. Il n’est toutefois pas toujours aisé d’associer un flux d‘électrons avec une détection aurorale spécifique étant donné que les deux mesures ne sont pas réalisées exactement au même endroit. » 

La couleur des aurores de Mars

Les chercheurs se sont ensuite attelés à l’étude de la lumière ultraviolette émise par l’aurore martienne. Lauriane Soret, Jean-Claude Gérard et Benoît Hubert du LPAP de l’ULiège avaient précédemment analysé les détections aurorales à l’aide du satellite Mars Express de l’ESA. Leurs travaux avaient montré comment la structure du champ magnétique résiduel de la planète contrôle la localisation et l’intensité de l’aurore discrète.  Cette fois, grâce à la sensibilité accrue de l’imageur spectral IUVS à bord de la sonde MAVEN de la NASA, ils ont pu décrire en détail les émissions ultraviolettes, invisibles à l’œil. Ils ont notamment pu démontrer qu’elles sont situées dans l’atmosphère supérieure de la planète, vers 130 km. Une étude approfondie (2) de la composition spectrale des aurores dans l’ultraviolet montre qu’elles sont constituées de plusieurs émissions, telles que du monoxyde de carbone (CO), du dioxyde de carbone (CO2), de l’azote (N2) et de l’oxygène atomique. « La sensibilité de l’instrument IUVS à bord de l’orbiteur MAVEN nous a permis de passer d’une vingtaine de détections en dix ans à des centaines aujourd’hui, explique Benoît Hubert, chercheur qualifié FNRS au sein du LPAP. Il est maintenant possible de dresser des cartes détaillées de leur localisation. » Ces analyses indiquent que la brillance de la lumière émise augmente avec l’intensité du champ magnétique fossile de la planète grâce à l’effet d’entonnoir des lignes du champ magnétique qui convergent vers la surface. « Ceci est un pas en avant important dans la compréhension du mécanisme qui contrôle la formation des aurores discrètes. Jusqu’ici la relation avec l’intensité du champ magnétique n’était pas établie. En outre, les détections étaient localisées uniquement dans les régions où le champ magnétique est intense, souligne Lauriane Soret. »

L’équipe a également observé que le spectre de la lumière aurorale est variable et que les électrons du vent solaire sont le déclencheur de ces étranges lueurs. Selon leurs estimations, la lueur verte accompagnant ces aurores pourrait être visible pour des futures astronautes à la surface ou en orbite autour de Mars. Le spectacle auroral nocturne sur Mars pourrait ressembler à celui que nous observons sur Terre. L’aurore de Mars serait plutôt verdâtre mais, contrairement aux lueurs terrestres, elle n’est pas concentrée aux hautes latitudes. Leur intensité dépendrait fortement de la localisation sur la planète et de l’activité solaire.

Champ magnetique aurore mars 

Ce planisphère de Mars montre la localisation des aurores (cercles blancs) détectées par l’imageur spectral IUVS à bord de la mission MAVEN de la NASA. Les couleurs de fond (du bleu au rouge) indiquent la probabilité que les lignes du champ magnétique fossile de la planète soient ‘fermées ‘, c’est à dire qu’elles ne soient pas reliées à l’espace interplanétaire. On note l’alignement des détections aurorales le long des ‘vallées magnétiques’ (zones claires entre les zones rouges), mais aussi leur présence sporadique à l’écart de celles-ci. (Soret et al., 2021).

Références scientifiques

  1. Schneider, N. M., Milby, Z., Jain, S. K., Gérard, J.-C., Soret, L., Brain, D. A., Weber, T., Girazian, Z., McFadden, J., Deighan, J., Jakosky, B.M. (2021). Discrete Aurora on Mars: Insights into their distribution and activity from MAVEN/IUVS observations, Journal of Geophysical Research: Space Physics, https://doi.org/10.1029/2021JA029428
  2. Soret, L., Gérard, J.-C., Schneider, N., Jain, S., Milby, Z., Ritter, B., et al. (2021). Discrete aurora on Mars: Spectral properties, vertical profiles, and electron energies, Journal of Geophysical Research: Space Physics, 126, e2021JA029495. https://doi.org/10.1029/2021JA029495

Contacts

Jean-Claude GÉRARD

Lauriane SORET

Benoît HUBERT

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