STEVE et d'autres lueurs aurorales similaires troublent les scientifiques avec leur physique complexe.

Depuis l'obscurité immaculée de son jardin en Alberta, Canada, Alan Dyer a pris des photos impressionnantes d'une lueur céleste rare appelée STEVE. Pour capturer ce ruban mauve, lui et d'autres citoyens scientifiques laissent généralement leurs appareils photo collecter de la lumière pendant quelques secondes à la fois. Les longues expositions atténuent les détails fins de STEVE au profit de la mise en valeur de sa couleur. Mais lorsqu'un STEVE s'est étendu au-dessus de sa maison une nuit d'août 2022, Dyer a essayé une approche différente.

Il a zoomé sur la lueur céleste avec son appareil photo et a pris une vidéo des détails minutieux de STEVE à une cadence de 24 images par seconde. Au lieu de la dérive principalement lisse de violet observable dans les images précédentes, les images de Dyer ont révélé STEVE comme un torrent frénétique de peluches blanchâtres violacées qui scintillent.

"Ce n'était pas si beau", explique Dyer, mais au cas où cela pourrait être scientifiquement utile, il a envoyé la vidéo à Toshi Nishimura, physicien de l'espace à l'Université de Boston.

"Je me suis dit : 'Oh mon Dieu, personne n'a jamais vu ça auparavant'", explique Nishimura, qui était impatient d'analyser une telle vue haute résolution de STEVE. Mais après l'inspection, les détails fins de STEVE ne correspondaient pas à la compréhension provisoire des scientifiques de la chimie atmosphérique derrière la lueur nocturne. "Cette structure à petite échelle nous a donné un énorme mal de tête, en fait", déclare Nishimura.

Cette confusion est monnaie courante lorsqu'il s'agit de la science de STEVE - abréviation de Strong Thermal Emission Velocity Enhancement. Depuis que les citoyens scientifiques ont montré pour la première fois aux chercheurs leurs images de STEVE il y a quelques années, ils ont soulevé plus de questions qu'ils n'en ont répondu.

"Chaque fois que nous découvrons quelque chose de nouveau [à propos de STEVE], le nombre de questions de physique qu'il soulève est trois fois supérieur à ce que nous attendions", explique Bea Gallardo-Lacourt, physicienne de l'espace au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland.

Lors d'une réunion de l'American Geophysical Union à San Francisco, le 14 décembre, l'équipe de Nishimura a présenté une nouvelle vue haute résolution de STEVE. D'autres chercheurs ont décrit des observations tout aussi perplexes selon lesquelles une autre lueur céleste non aurorale peut se transformer en STEVE. Mais il y avait aussi une lueur de clarté : un modèle informatique partagé par d'autres enquêteurs célestes pourrait expliquer ce qui cause la "clôture" de bandes vertes qui apparaît parfois sous STEVE.

"STEVE et la clôture sont sans doute le plus grand mystère en physique spatiale en ce moment", explique Claire Gasque, physicienne de l'espace à l'Université de Californie, à Berkeley. Et parce que les signaux satellites peuvent être affectés par les conditions dans l'atmosphère terrestre où apparaît STEVE, expliquer cette lueur atmosphérique pourrait avoir des utilisations au-delà de la compréhension d'un joli spectacle lumineux.

Lorsque les chasseurs d'aurores du Canada ont présenté STEVE à la communauté scientifique en 2016, les chercheurs savaient que ce n'était pas une aurore. Les aurores se forment lorsque des particules chargées provenant de la bulle magnétique, ou magnétosphère, autour de la Terre, se précipitent dans l'atmosphère. Ces particules s'écrasent sur l'oxygène et l'azote près des pôles de la Terre, peignant le ciel de rouge, de vert et de bleu. Mais STEVE était violet. Et il apparaissait plus près de l'équateur que les aurores boréales et australes.

"Pour nous ici, dans le sud-ouest du Canada", explique Dyer, "l'aurore est généralement au nord". STEVE, quant à lui, peut être juste au-dessus.

STEVE a ensuite été lié à un courant de particules chargées se précipitant à travers l'atmosphère. On pense que ce courant de plasma, se déplaçant à plusieurs kilomètres par seconde, énergise l'air à environ 200 kilomètres d'altitude jusqu'à ce qu'il brille en violet - mais les molécules qui donnent à STEVE sa couleur caractéristique restent incertaines, surtout à la lumière des nouvelles images de Dyer.

La vidéo de Dyer a capturé des détails de STEVE jusqu'à environ 90 mètres de large - assez petits pour une lueur atmosphérique qui peut s'étendre sur des milliers de kilomètres. Les images ont montré un flux clairsemé et tacheté de violet se déplaçant vers l'ouest à environ 9 kilomètres par seconde, avec des variations de luminosité aussi petites que quelques kilomètres de large, dont certaines apparaissaient et disparaissaient en quelques secondes, rapportent Nishimura et ses collègues dans le Journal of Geophysical Research: Space Physics de décembre.

"La principale théorie de l'émission de STEVE est qu'il y a de l'oxyde nitrique qui est excité par le flux rapide de plasma", explique Nishimura. On pense que l'oxyde nitrique excité émet de la lumière violette. Mais l'oxyde nitrique excité peut briller pendant une heure, note Nishimura. C'est à peu près la durée totale de STEVE ; les bouffées granulaires de luminosité qui ne durent que quelques secondes ajoutent une nuance à cette idée.

Lancer une fusée équipée de capteurs à travers STEVE pourrait identifier les molécules responsables, affirme Nishimura. "Mais le défi est que nous devons savoir quand et où STEVE va se produire, et c'est extrêmement difficile."

STEVE peut apparaître juste après les pics des sous-tempêtes, qui sont des perturbations dans la magnétosphère qui peuvent provoquer des aurores spectaculaires. "STEVE apparaît généralement après que le spectacle principal des aurores se soit un peu estompé", explique Dyer. Mais toutes les sous-tempêtes ne sont pas suivies d'un STEVE en bis, et les recherches présentées par Gallardo-Lacourt et ses collègues à l'AGU suggèrent que tous les STEVE n'ont pas besoin d'une sous-tempête pour apparaître.

Une chose qui pourrait aider les chercheurs à affiner leurs prédictions sur les STEVE, selon Nishimura, c'est une meilleure compréhension de la relation du phénomène lumineux avec un autre airglow non aurore appelé un arc rouge aurore stable (SAR) - dont les photos de la science participative suggèrent maintenant qu'il peut se transformer en STEVE.

En mars 2015, le scientifique amateur Ian Griffin s'est rendu à Dunedin, en Nouvelle-Zélande, pour photographier un spectacle auroral particulièrement éblouissant. Mais juste au nord des lumières du sud, il a repéré quelque chose d'étrange - une lueur rouge étendue dans le ciel qui s'est transformée en filament mauve de STEVE. Les images de Griffin ont offert aux chercheurs un premier aperçu d'un STEVE apparaissant à partir d'un arc SAR. Carlos Martinis, physicien de l'espace à l'université de Boston, et ses collègues l'ont rapporté en juin 2022 dans Geophysical Research Letters.

Les scientifiques étudient les arcs SAR depuis des décennies. Comme STEVE, ces airglows s'étendent d'est en ouest à travers le ciel plus près de l'équateur que les lumières du nord et du sud. Mais contrairement à STEVE, qui dure environ une heure, les arcs SAR peuvent colorer le ciel pendant des heures voire des jours - visibles avec des caméras, bien qu'ils soient généralement trop faibles pour être perçus à l'œil nu.

Les arcs SAR se forment lorsque des perturbations dans la magnétosphère de la Terre provoquent des collisions de particules chargées à des milliers de kilomètres d'altitude dans l'espace, créant de la chaleur qui descend dans l'ionosphère - la couche de l'atmosphère où se trouve STEVE. Cette chaleur excite les électrons et les pousse à excités les atomes d'oxygène pour produire de la lumière rouge, normalement environ un dixième moins lumineuse que les aurores. Mais l'arc SAR observé par Griffin était suffisamment éclatant pour rivaliser avec les aurores australes rouges.

"C'était tout simplement stupéfiant", déclare Megan Gillies, qui étudie les aurores à l'Université de Calgary au Canada. Les images de Griffin l'ont incitée à rechercher d'autres cas de STEVE émergeant d'arcs SAR. Son équipe en a trouvé un repéré par le spectrographe TREx (Transition Region Explorer) à Lucky Lake, en Saskatchewan, en avril 2022. Le groupe l'a rapporté en mars dans Geophysical Research Letters. Le brillant filament pourpre de STEVE est apparu à partir de la lueur rouge d'un arc SAR, est resté visible environ une demi-heure, puis a laissé place à davantage de rouge.

"C'est comme regarder un feu qui couve, puis vous y jetez du bois et il s'enflamme... Pouf, il s'en va ! Et puis ça redevient calme", explique Gillies, dont le groupe a décrit la connexion entre l'arc SAR et STEVE lors de la réunion de l'AGU. "Il se passe quelque chose qui déclenche un STEVE", dit-elle, mais parce que tous les arcs SAR ne se transforment pas en STEVE, on ne sait pas encore ce qui provoque cette transition.

Cela pourrait avoir quelque chose à voir avec le torrent de plasma qui alimente STEVE. Les arcs SAR ont également été liés à des flux de plasma vers l'ouest dans l'atmosphère - bien que moins rapides que les flux de plasma qui alimentent les STEVE, note Martinis. Alors que l'arc SAR observé en 2015 évoluait en STEVE, les données satellitaires ont montré un large flux de plasma dans l'atmosphère se rétrécir et accélérer pour devenir le type de filament intense typique de STEVE. Mais ce qui a déclenché ce changement reste une question ouverte, selon Martinis. Pour compliquer encore les choses, les scientifiques amateurs ont également repéré des STEVE et des arcs SAR coexistants, mais indépendants.

Face à ces observations qui les laissent perplexe, "c'est là que la modélisation intervient", explique Gillies. Les théoriciens peuvent utiliser des ordinateurs pour tester si la physique qu'ils pensent se produire produit des motifs lumineux ressemblant à ceux de STEVE, explique-t-elle. Les modèles informatiques aident déjà à reconstituer un autre puzzle lié à STEVE : la source de la picket fence (ou barrière de piquets).

Au début, les chercheurs pensaient que les bandes vertes qui accompagnaient parfois STEVE étaient de simples aurores. Après tout, la lueur verte éclatante de la picket fence est d'une teinte similaire à certaines aurores normales. Mais les longueurs d'onde spécifiques de lumière émanant de la picket fence suggèrent que cela pourrait ne pas être une aurore, après tout. Les pluies de particules chargées provenant de la magnétosphère lointaine illuminent les aurores normales. "Lorsqu'elles entrent en collision avec l'atmosphère, elles vont créer un large spectre de couleurs", explique Gasque. Cela inclut le vert de l'oxygène et le rouge et le bleu de l'azote. "Le bleu est un peu la preuve indéniable que nous n'avons pas observée avec la picket fence", explique Gasque. Son absence suggère que les pointes vertes de la picket fence ne résultent pas du même processus que les aurores.

An alternative explanation for the picket fence might be electric fields embedded within Earth’s atmosphere that run parallel to the planet’s magnetic field, Gasque says. Those fields could energize local electrons to excite oxygen into glowing green and coax nitrogen to give off a bit of red but not blue. Gasque and colleagues ran a computer model of Earth’s atmosphere with electrons energized by electric fields. The team compared the light produced inside their simulated atmosphere with light from a picket fence seen by the TREx Spectrograph at Lucky Lake in April 2018.

The model did indeed reproduce the ratio of red to green light seen in the real-life picket fence without a tinge of blue — bolstering the idea that atmospheric electric fields could construct the picket fence, the researchers reported November 16 in Geophysical Research Letters and at the AGU meeting. But scientists need to confirm that such electric fields actually exist at the altitudes where picket fences appear. 

“The plan now is to try and fly a rocket through one of these structures,” says Gallardo-Lacourt. Gasque and her colleagues have just proposed such a mission to NASA. The rocket wouldn’t fly through the picket fence — which, like STEVE, is too hard to predict. Instead, it would target phenomena with similar coloring that are far more common: enhanced auroras.

“With enhanced aurorae, you have kind of these sharp, bright layers within the aurora,” Gasque says. The sharpness of those variations in auroral light and their picket fence–like color scheme hints that they might be powered by electric fields as well. If a future rocket mission detects electric fields threaded through enhanced auroras, that would help confirm that similar fields build the picket fence.

NASA’s Geospace Dynamics Constellation mission will also launch a fleet of spacecraft as early as 2027 to probe Earth’s magnetosphere and ionosphere — which might yield more data that help explain aspects of STEVE, Gallardo-Lacourt notes. In the meantime, STEVE’s dedicated paparazzi of citizen scientists will continue snapping photos of the phenomenon from the ground.

“We’re out specifically looking for STEVE and knowing that there’s scientific interest in it,” Dyer says. “Prior to the era of STEVE … you might have thought, well, there’s nothing amateurs can contribute now to aurora research, it’s all done with rockets and satellites and the like. But nope! There’s a lot we can contribute” — even if those contributions are often new puzzles for scientists to solve.