Au-dessus des sommets des nuages, les orages palpitent avec un spectacle lumineux complexe et frénétique de rayonnement de haute énergie.
Une vue depuis un avion espion modernisé s'élevant à 20 kilomètres d'altitude a révélé des tempêtes scintillantes et scintillantes de rayons gamma, une lumière à haute énergie invisible à l'œil nu. Dix vols avec l'avion, l'avion ER-2 de la NASA, ont capturé le miroitement des explosions de rayons gamma sur diverses échelles de temps et intensités, suggérant que les émissions sont plus complexes et plus courantes qu'on ne le pensait auparavant. Et l’étude a dévoilé un tout nouveau type d’explosion de rayons gamma que les chercheurs ont baptisé flash gamma vacillant.
« Je suis absolument stupéfait », déclare le physicien David Smith, de l'Université de Californie à Santa Cruz, qui n'a pas participé à la recherche. Il s'agit des nouvelles données les plus importantes dans ce domaine depuis plus d'une décennie, dit-il.
Les scientifiques connaissaient deux principaux types d’émissions de rayons gamma lors d’orages. Les explosions courtes et intenses appelées flashs gamma terrestres sont si lumineuses qu'elles peuvent être vues depuis l'espace et ne durent que quelques fractions de millisecondes (SN : 10/01/23). Ensuite, il y a des émissions plus longues et plus faibles appelées lueurs gamma. Les scientifiques ont repéré les deux sur les vols.
Les scientifiques ont découvert que les lueurs étaient étonnamment persistantes et répandues. Ils ont continué pendant des heures, ont couvert des milliers de kilomètres carrés et ont été aperçus lors de neuf des dix vols de l'avion, rapportent le physicien Nikolai Østgaard et ses collègues dans le journal du 3 octobre. Nature.
« C'est étonnant », déclare le physicien Ningyu Liu de l'Université du New Hampshire à Durham, qui n'a pas participé aux travaux.
De plus, les lueurs des rayons gamma n'étaient pas statiques, comme on le pensait auparavant, mais mijotaient constamment, s'éclaircissant et s'atténuant à plusieurs reprises sur des échelles de temps de quelques secondes. « De grosses tempêtes bouillonnent. C'est comme une marmite bouillante », explique Østgaard, de l'Université de Bergen en Norvège.
Équipé de capteurs pour détecter les rayons gamma, les ondes radio, la lumière visible et bien plus encore, l'avion a survolé les tempêtes dans les Caraïbes et en Amérique centrale. Naviguant à une altitude environ deux fois supérieure à celle des vols commerciaux, l'avion était aux premières loges pour assister aux feux d'artifice. Et comme l'avion était configuré pour envoyer des données au sol en temps réel, les chercheurs pouvaient ordonner au pilote de l'avion de retourner dans des régions qui remuaient de rayons gamma.
Les vols ont également détecté des flashs de rayons gamma terrestres, dont beaucoup étaient trop faibles pour être vus depuis les satellites dans l'espace, a rapporté l'équipe le 7 septembre en Lettres de recherche géophysique. Cela suggère que les observations satellitaires précédentes manquaient de nombreux éclairs de rayons gamma terrestres, ce qui les rendait plus courants qu'on ne le pensait.
Les orages produisent des rayons gamma lorsque les électrons sont accélérés dans de puissants champs électriques qui s'accumulent à l'intérieur des nuages (SN : 15/03/19). Ces électrons produisent davantage d’électrons, et ainsi de suite. Lorsque les électrons de cette avalanche entrent en collision avec les molécules d’air, des rayons gamma en résultent. Mais bien que ce processus soit bien compris, les scientifiques ne comprennent pas les détails des différents types d’explosions de rayons gamma, ni leurs liens.
Les nouveaux flashs gamma vacillants pourraient être un chaînon manquant entre les flashs gamma terrestres et les lueurs gamma, car leur luminosité et leur durée se situent entre celles des deux autres classes. Comme les lumières stroboscopiques à haute énergie, ces explosions consistaient en de courtes impulsions de rayons gamma qui se répétaient sur des dizaines, voire des centaines de millisecondes, a rapporté l'équipe dans un deuxième article publié en 2007. Nature.
En outre, de nombreux éclairs gamma vacillants ont été suivis d’un type d’explosion appelé événement bipolaire étroit, qui a ensuite été suivi d’éclairs. Cela pourrait signifier que les éclairs vacillants des rayons gamma contribuent à déclencher la foudre, un processus qui n'est toujours pas compris (SN : 21/10/11).
Les rayons gamma pourraient également contribuer à limiter l'intensité des champs électriques dans les nuages d'orage, explique le coauteur Steven Cummer, ingénieur électricien à l'Université Duke. Cela signifie que « tout ce processus de génération de rayons gamma, qui était intéressant et rare auparavant, semble désormais jouer un rôle central dans toute l’électricité atmosphérique ».