©Planeterrella Un simulateur d’aurores polaires
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Anneaux courant stellaire

Nous sommes ici dans le monde de Birkeland : il a, lui aussi, amplement observé cette configuration, et en a tiré des articles scientifiques. Malheureusement, Birkeland n’a pas donné la bonne interprétation de ses observations : il pensait voir l’origine des anneaux de Saturne. Les astronomes s’opposaient à cette interprétation, arguant que Saturne n’émet pas d’électricité, et que les anneaux avaient clairement été identifiés comme des roches et glaces. Mais Kristian Birkeland refusait cette vision des choses. Il déduisit que la majeure partie des mécanismes cosmiques était faite d’interactions électriques et magnétiques dans des gaz ionisés, qu’on appelle des « plasmas ». En cela, il ne se trompait guère, mais nous ne l’avons réalisé qu’à la fin du vingtième siècle. Il était tellement sûr de son interprétation qu’il baptisa sa dernière Terrella, la plus grande, « L’Univers ».
Mais revenons à la configuration en Terrella de Birkeland. La sphère – devenue une étoile – envoie les électrons sur toute sa surface. Mais le champ magnétique les rabat sur son équateur, perpendiculairement à l’axe magnétique de l’étoile. Un anneau de courant très intense apparaît autour de la sphère.

La pression à l’intérieur de l’enceinte peut évoluer (de la dizaine à la centaine de Pascal). L’influence de l’intensité électrique est faible : à partir de 300 V, et jusqu’à 3000 V, nous observons peu d’écarts.
C’est encore Guillaume Gronoff qui a observé et photographié le plus de cas différents, retrouvant patiemment toutes les observations de K. Birkeland, et d’autres que Birkeland n’avait pas vues. Lorsque la pression est de l’ordre de la centaine de Pascal, le rayonnement observé a une couleur pourpre et rose. Ces couleurs nous disent quel gaz a été excité (azote moléculaire et azote moléculaire ionisé), et dans quel état d’excitation. Mais si la pression baisse, le rayonnement devient de plus en plus pâle, jusqu’à devenir d’un blanc laiteux. Ces couleurs sont aussi visibles dans les aurores polaires les plus intenses.

Que voit-on ?
Les électrons sont tirés par la sphère, sur toute sa surface. Ils sont rabattus le long de l’équateur magnétique où ils sont contraints de tourner : le champ magnétique les attire. Mais il existe également un champ électrique entre la sphère et la buse. Ce champ existe simplement parce que la sphère est reliée au pôle moins du générateur et la buse au pôle plus. En tournant dans l’anneau de courant stellaire, les électrons cognent le gaz encore présent, de l’air très raréfié. Ces collisions excitent et ionisent le gaz, mélange d’azote et d’oxygène. En revenant à l’équilibre, l’air rend son énergie sous forme de lumière : c’est la création du rayonnement visible avec la Planeterrella.
Mais tôt ou tard, les électrons subissent une collision qui va les dévier vers la buse, attirés par le champ électrique. Ils bouclent ainsi le circuit.

Un phénomène intéressant mérite d’être remarqué : le bord interne de l’anneau de courant ne se trouve pas tout contre la sphère, mais à un ou deux millimètres de la sphère. Entre la sphère et l’anneau, il existe une zone étroite sans émission lumineuse. Que se passe-t-il ?

L’air à l’intérieur de l’enceinte est un plasma : il est majoritairement composé de gaz neutre, celui que nous respirons, bien que très raréfié. Mais les électrons ionisent une partie de ce gaz au gré des collisions. Ainsi, le gaz contient également des ions et des électrons libres. Les ions sont attirée par la sphère, car la sphère est chargée négativement : comme dans un aimant, le plus et le moins s’attirent en électricité. Les ions créent une enveloppe autour de la sphère. Cette enveloppe s’appelle la « sphère de Debye » du nom de Peter Joseph William Debye (1884 – 1966), un physicien et chimiste néerlandais qui découvrit ce phénomène. Debye obtint le prix Nobel en 1936. Le calcul de l’épaisseur de la sphère (la « longueur de Debye ») donne 1,8 mm, conforme à l’observation.

Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble (IPAG)