Carl Størmer : L'homme qui a triangulé les aurores boréales

Dans les années 1890, un étudiant parcourait les rues de Kristiania avec un appareil photo dissimulé sous son manteau, photographiant des inconnus qui ignoraient tout de son observation. Les clichés ont survécu et sont saisissants ; ils comptent parmi les premières images réellement spontanées de la vie urbaine, des visages saisis sans la retenue qu'un sujet victorien aurait adoptée. Le photographe était Carl Størmer, et l'instinct ainsi manifesté allait définir sa carrière : pointer un instrument vers quelque chose qui ne reste pas immobile, et le capturer malgré tout. Il passerait les cinquante années suivantes à faire de même avec les aurores boréales.

Skien, et un garçon qui a changé d'avis

Størmer est né à Skien en 1874 dans une famille de pharmaciens. En 1886, ses parents ont déménagé à Kristiania — aujourd'hui Oslo — spécifiquement pour lui assurer une meilleure éducation, une ambition qui a porté ses fruits de manière exhaustive. Ses premiers centres d'intérêt furent la botanique et l'astronomie. Vers seize ans, son intérêt s'est tourné fermement et durablement vers les mathématiques pures, qu'il n'a jamais quittées.

Il a obtenu son diplôme en 1898, puis s'est rendu à Paris pour étudier à la Sorbonne sous la direction d'Henri Poincaré et d'Émile Picard — un apprentissage au centre absolu des mathématiques européennes, qui a eu une importance capitale pour la suite. L'obsession de Poincaré était le comportement des trajectoires dans des systèmes dynamiques ne pouvant être résolus sous forme fermée. L'œuvre de la vie de Størmer consisterait précisément en un tel problème.

Nombres purs

Il s'est d'abord fait connaître en tant que théoricien des nombres, publiant de façon prolifique sur l'équation de Pell et sur les séries à convergence rapide pour π du type Machin, le genre d'identité qui permet à un ordinateur d'extraire des chiffres efficacement et qui, à son époque, permettait à un humain patient de faire de même à la main. En 1903, à vingt-neuf ans, il a été nommé professeur de mathématiques pures à l'Université de Kristiania. Il a occupé cette chaire pendant quarante-trois ans, jusqu'en 1946.

La question de Birkeland

Le tournant est venu d'un collègue. En 1896, le physicien Kristian Birkeland avait mené des expériences en laboratoire en tirant des particules chargées sur une sphère aimantée, produisant des motifs lumineux près de ses pôles qui ressemblaient indéniablement à des aurores miniatures. L'hypothèse de Birkeland — que les aurores boréales sont causées par des particules chargées venues de l'espace, guidées vers les régions polaires par le champ magnétique terrestre — était correcte, contestée, et mathématiquement hors de sa portée. Il a demandé de l'aide à Størmer.

Størmer y a consacré des décennies. La tâche consistait à calculer la trajectoire d'une particule chargée se déplaçant à travers le champ d'un dipôle magnétique — un problème sans solution analytique générale, nécessitant une laborieuse intégration numérique étape par étape, réalisée à la main, un demi-siècle avant l'existence de machines pour le faire. Il a publié au moins quarante-huit articles à ce sujet. Ces travaux ont permis d'établir quelles particules atteignent la Terre et où, ont cartographié les régions interdites et autorisées du champ, et ont produit l'appareil théorique utilisé plus tard pour comprendre l'accès des rayons cosmiques et les ceintures de radiation. Toute cette classe de problèmes porte encore son nom.

Photographier l'aurore

La théorie n'était qu'une moitié du travail. À partir de 1909, Størmer a commencé à photographier systématiquement les aurores, et c'est là que son passe-temps d'adolescent et ses mathématiques professionnelles se sont conjugués avec un effet spectaculaire. « Ce qui peut résulter », a-t-il écrit, « lorsqu'un mathématicien pur se trouve être un photographe amateur enthousiaste. »

Les photographies d'aurores existantes étaient floues et inutilisables pour la mesure ; les temps de pose étaient trop longs pour un phénomène en mouvement. Størmer a résolu le problème optique en adaptant un petit objectif rapide provenant d'un appareil photo pour enfants fabriqué par le fabricant allemand Ernemann. L'amélioration fut suffisamment décisive pour qu'environ trois cents appareils construits selon son modèle soient finalement distribués à des chercheurs du monde entier.

Ensuite, il a industrialisé l'observation. Il a mis en place des réseaux de stations à travers la Norvège, séparées d'au moins cinq kilomètres, reliées par téléphone. Lorsqu'une aurore apparaissait, les observateurs dans différentes stations devaient photographier le même spectacle au même instant, chaque cliché capturant également des étoiles de fond fixes. Avec deux images du même objet prises depuis une base connue par rapport à une référence stellaire connue, la hauteur de l'aurore devient un problème de trigonométrie plane : la parallaxe, la plus ancienne astuce de l'astronomie, appliquée pour la première fois avec rigueur à quelque chose qui n'était auparavant mesuré qu'au jugé.

Ce que les appareils ont découvert

La réponse fut que l'aurore est beaucoup plus haute que ce que la plupart des observateurs du XIXe siècle avaient supposé, et remarquablement constante : sa limite inférieure se situe en moyenne à un peu plus de 100 kilomètres au-dessus de la surface. La plage complète s'étendait d'environ 71 kilomètres jusqu'à 1 000 kilomètres pour les aurores éclairées par le soleil, suffisamment hautes pour capter la lumière du soleil alors que le sol en dessous était dans l'obscurité.

Ces chiffres n'étaient pas une curiosité. Ils constituaient la vérification empirique de la théorie de Birkeland et des calculs de trajectoire de Størmer lui-même, fixant le phénomène à une couche spécifique de la haute atmosphère et contraignant toute explication physique. Les photographies de Størmer ont alimenté un atlas des aurores distribué durant la deuxième Année polaire internationale de 1932-1933 à des collaborateurs au Canada, aux États-Unis, en Grande-Bretagne et aux Pays-Bas. Il a continué à photographier jusqu'à sa mort en 1957. La plupart des images sont perdues ; le Musée norvégien des sciences et de la technologie en conserve plusieurs centaines.

Pourquoi Carl est qualifié de génie

La distinction de Størmer est qu'il était tout aussi redoutable dans deux domaines qui ne coïncident presque jamais chez la même personne : le calcul manuel de dynamiques complexes et la conception d'un système d'observation fonctionnel. Les calculs de trajectoire furent un acte de pure endurance mathématique : intégration numérique d'un problème non linéaire, réalisée manuellement, soutenue sur quarante-huit articles et plusieurs décennies, avec un niveau de soin où une seule erreur arithmétique invalide tout ce qui suit. Le réseau d'aurores fut un acte d'ingénierie et d'organisation : un objectif récupéré sur un jouet, un système téléphonique, une base de mesure et une identité trigonométrique, combinés en un instrument capable de mesurer le ciel. Les honneurs en furent le reflet : prix Fridtjof Nansen, élection à la Royal Society, doctorats honorifiques d'Oxford, de Copenhague et de la Sorbonne, et présidence du Congrès international des mathématiciens lors de sa réunion à Oslo en 1936.

Le contre-argument mérite d'être énoncé clairement. L'intuition physique était celle de Birkeland, non celle de Størmer ; Birkeland a posé la question et fourni la théorie, et Størmer est intervenu en tant que mathématicien capable de l'exécuter. Størmer n'a jamais produit de solution analytique générale au problème de la trajectoire dipolaire, car elle n'existe pas — ses résultats sont numériques et particuliers. Sa théorie des nombres est respectable plutôt que révolutionnaire. Et une bonne partie de la réussite concernant les aurores est due à l'artisanat plutôt qu'à l'intellect : choisir le bon objectif, situer les stations, former les observateurs, tenir les journaux téléphoniques à jour, répéter l'exercice pendant des décennies d'hivers norvégiens. C'est de la patience et une compétence organisationnelle d'un ordre exceptionnel, qui devraient être décrites comme telles plutôt que travesties en intuition. Ce qui lie les deux moitiés — et ce qui ressemble à du génie — est la perspicacité de comprendre qu'un phénomène que tout le monde traitait comme un spectacle était en fait un objet mesurable, et de savoir exactement quelle mesure permettrait de trancher la question.

Héritage

Størmer est mort en 1957, l'année du début de l'Année géophysique internationale et de l'envoi de Spoutnik — le moment où la haute atmosphère qu'il avait passé sa vie à trianguler depuis le sol est devenue un endroit où des instruments pouvaient enfin être envoyés. Les ceintures de radiation découvertes l'année suivante étaient peuplées exactement par les particules piégées que ses équations décrivaient. La physique moderne de la météorologie spatiale, qui prévoit les tempêtes géomagnétiques menaçant les satellites et les réseaux électriques, repose sur la théorie des trajectoires qu'il a construite à la main pour un collègue qui avait besoin d'un mathématicien.