Prise en janvier 2023 par Julien Looten, cette photo montre un airglow d’une intensité inhabituelle en Dorgogne, en France. Les ondulations claires étaient visibles à l’œil nu, mais pas les couleurs, qui se sont révélées grâce à la sensibilité du capteur. Photo: Julien Looten
La nuit, le ciel n’est jamais noir. L’atmosphère émet partout et en permanence une lumière diffuse, mais peu connue, qui donne du fil à retordre aux astronomes.
En matière de beauté céleste, les aurores boréales tiennent le haut du pavé. Pourtant, elles ne sont pas les seules à illuminer nos cieux. Il existe une lueur, moins célèbre, qui a la particularité d’être présente en permanence : l’airglow, ou la lueur de l’air. Il s’agit d’une sorte de halo naturel qui émane de l’atmosphère elle-même. « Compte tenu de l’intérêt que les gens portent aux aurores, il est dommage qu’ils ignorent l’existence de l’airglow ! » s’exclame Christian Kragh Jespersen, étudiant au doctorat au Département des sciences astrophysiques de l’Université de Princeton, au New Jersey.
Il y a quelques mois, le jeune chercheur a fait une présentation sur le sujet lors d’un congrès au Japon consacré à l’ingénierie des instruments d’astronomie. Car l’airglow est devenu le principal défi optique auquel doivent faire face les plus récents télescopes terrestres, conçus pour observer des cibles très lointaines, explique-t-il. « Ce qu’on cherche à observer avec la nouvelle génération de télescopes est environ 100 fois moins lumineux que la plus faible lueur d’airglow. C’est un peu comme chercher la lumière d’une luciole derrière un lampadaire géant ! Avant, on ciblait des astres au moins deux fois plus lumineux que l’airglow. » L’astrophysicien travaille plus particulièrement sur le calibrage du Prime Focus Spectrograph, un instrument installé sur le télescope Subaru, à Hawaï, qui sera utilisé en février prochain pour une grande campagne d’observation de galaxies très lointaines – et donc peu lumineuses pour nous.
Et la lumière fut !
Cette luminescence du ciel est évidemment connue de longue date, et elle diffère, comme on l’a dit, du phénomène des aurores. Ces dernières surviennent uniquement lorsque le Soleil se déchaîne et qu’il éjecte dans l’espace un gaz chargé électriquement : le vent solaire. Ce flux de particules peut franchir le bouclier magnétique terrestre au niveau des pôles et entrer en collision avec des atomes de la haute atmosphère, créant ces lueurs mythiques.
L’airglow, lui, n’a rien à voir avec les colères solaires. Il est dû à la simple interaction de la lumière constante de notre étoile avec la haute atmosphère, située entre 80 et 300 km d’altitude. Ce sont en particulier les rayons ultraviolets qui y excitent les atomes et les molécules, en les chargeant d’énergie.
Le jour, même si on ne le perçoit pas, les éléments excités par les rayons relâchent leur surplus d’énergie sous forme de lumière, à une longueur d’onde identique à celle reçue (on parle de résonance) ou légèrement inférieure (on parle alors de fluorescence).
De nuit, le phénomène est un peu différent : la lueur est due à la « chimiluminescence ». Il s’agit de recombinaisons chimiques impliquant de l’oxygène, du sodium, de l’ozone, de l’hydrogène et de l’azote. Pour comprendre, prenons une molécule d’oxygène (O2). L’énergie du Soleil qu’elle a absorbée dans la journée l’a scindée en deux atomes. Ces atomes séparés conservent pendant plusieurs heures leur excès d’énergie, puis ils retrouvent chacun un partenaire et se recombinent en O2, en libérant une lumière verte.
À moins de nous envoler dans l’espace, on peut rarement voir cet airglow à l’œil nu. Il existe toutefois des « nuits claires », décrites depuis des siècles. En 2017, une équipe de l’Université York, en Ontario, a déterminé grâce à des données satellites que ces nuits exceptionnelles surviennent lorsque des « vagues » d’airglow se forment à cause de variations météorologiques en haute atmosphère, puis se superposent. On peut alors assister, dans une région précise, à des nuits quatre à dix fois plus lumineuses que la normale.
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- Vagues d’airglow rougeâtres visibles au-dessus de l’observatoire de La Silla, au Chili. Les lueurs jaunes viennent d’agglomérations lointaines.
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- Photos d’airglows prises de la Station spatiale internationale : la couleur orange est liée à l’excitation du sodium.
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- Photos d’airglows prises de la Station spatiale internationale : une aurore boréale (en vert) se superpose à l’airglow.
Un outil précieux
C’est justement pour étudier ces vagues qu’un nouvel instrument, l’Atmospheric Waves Experiment (AWE), a été installé sur la Station spatiale internationale (ISS) fin 2023. « Ces vagues débutent en général dans la basse atmosphère et peuvent se propager plus haut dans certaines conditions. Elles peuvent radicalement changer la dynamique de la haute atmosphère », explique Ludger Scherliess, professeur au Département de physique à l’Université d’État de l’Utah et chercheur principal pour l’AWE.
Pour les observer, il « suffit » de mesurer les variations d’airglow. Chaque gaz ayant sa propre couleur d’émission, en fonction de sa nature, de l’altitude, du processus d’excitation, le halo qui émane de la haute atmosphère est un outil d’investigation sans pareil. « L’AWE, lui, mesure le rayonnement infrarouge de l’airglow, ce qui renseigne sur ce qui se passe à environ 87 km d’altitude », précise le chercheur. Les résultats obtenus après les 100 premières orbites de l’AWE ont été partagés avec la communauté scientifique fin 2024. Ils permettront de mieux comprendre les mouvements de zone située à l’interface entre les conditions terrestres et spatiales. Une compréhension d’autant plus importante que les turbulences en question peuvent perturber les satellites et les signaux radio, de télécommunication, en plus de gêner les télescopes.
