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La capture des particules par les champs magnétiques a été étudié pour la première fois par Kristian Birkeland en Norvège, à partir d'environ 1895. Birkeland dirigeât des faisceaux d' électrons (appelés alors "les rayons cathodiques") vers un aimant, dans une chambre à vide, et notât qu'ils semblaient canalisés vers le pôle magnétique proche. Il a alors demandé à son ancien professeur, le mathématicien français connu Henri Poincaré, d'examiner leur mouvement. Poincaré parvint à élucider le mouvement des particules chargées près d'un pôle magnétique isolé, montrant qu'ils se développent en spirales autour des lignes de champ et sont repoussés vers les régions de champ intense.
Les Calculs de Stoermer
Un pôle magnétique isolé est une abstraction mathématique et n'a pas été observé (bien que quelques uns continuent à chercher). Plus tard, Birkeland construisit de plus vastes chambres à vide et remplaça l'aimant par une sphère ou une "terrella" magnétisée représentant la terre, notant que les électrons étaient canalisés vers ses deux pôles. Un problème plus courant était donc de connaître le mouvement des particules auprès d'une barre aimantée compacte ou d'un "dipöle", qui imitait mieux le champ de la terre ou de sa terrella. Birkeland a donc soumis ce problème à un ami, le mathématicien Carl Stoermer, qui lui a consacré une partie appréciable de sa carrière. Stoemer n'a jamais trouvé une réponse complète, une formule qui pourrait prévoir pour n'importe quel instant le mouvement des particules comparable à la formule du mouvement d'une planète simple autour d'un soleil isolé. En fait, aucune n'existe en termes mathématiques conventionnels, parce que le mouvement est complexe en lui-même (en termes actuels, "un mouvement chaotique," un domaine exploré par Poincaré). Mais il montra que de nombreuses familles d'orbites restaient captives à tout jamais.
Les orbites de Stoermer concernaient surtout les particules aux énergies plutôt élevées. En général elles ne se regroupent pas en spirales bien ordonnées, parce qu'elles couvrent de larges zones de champ magnétique, et qu'à chaque incursion autour du champ, l'intensité et la direction du champ magnétique varient sensiblement. Plus tard, avec la découverte des radiations cosmiques, il s'est avéré que la théorie de Stoermer était conforme à leur mouvement : mais le mystère de l'aurore polaire n'avait pas été résolu, comme Stoermer l'avait espéré.
Les scientifiques de l'époque se sont également demandés si les particules piégées étaient à l'origine du "courant annulaire" mystérieux responsable des orages magnétiques, mais il était difficile d'imaginer la façon de créer assez d'ions ou d'électrons à partir de l' énergie des rayons cosmiques. Ce n'est qu'en 1957 que S. Fred Singer (U. du Maryland) énonca l'idée que l'origine du courant annulaire est du à des particules aux énergies beaucoup moins fortes, injectées de façon ou d'autre dans les orbites des particules captives au cours des orages magnétiques. L' année suivante la ceinture des radiations fut découverte, dont la présence est continuelle, pas simplement lors des orages magnétiques. Dés lors les détails purent progressivement être précisés.
Vers les années 50 on parvint au laboratoire à mettre en présence du plasma et des champs magnétiques pour ariver à la fusion nucléaire contrôlée, et à cette occasion la théorie des particules piégées a été considérablement développée et augmentée.
Projet Argus
L'histoire la plus intéressante de cette saga est peut-être celle de Nicholas Christofilos, un ingénieur grec d'ascenseur qui s' intéressait à l'étude du mouvement de particules dans les champs magnétiques. Poursuivant ces études il découvrit "la focalisation forte," une méthode maintenant couramment employée dans la commande des faisceaux ioniques énergétiques des accélérateurs. Il l'a communiqué aux scientifiques aux USA, sans grand intérêt jusqu'à ce que ce principe ait été redécouvert indépendamment. Il a alors immigré aux USA et a travaillé le reste de sa carrière à divers aspects du piégeage magnétique des particules, en particulier le piégeage du plasma dans des dispositifs prévus pour libérer l'énergie de la fusion (voir plasma).
En octobre 1957 il a proposé une grande expérience à l'Armée de l'Air US : lancer des fusées avec de petites bombes atomiques, explosant dans l'espace. Les bombes atomiques produisent un grand nombre d'électrons énergétiques, et Christofilos espérait que ces électrons seraient emprisonnés dans le champ magnétique comme une ceinture de radiations artificielle.
Ce projet, mené secrètement sous le nom de code Argus, reçu une grande impulsion lorsque les Explorers 1 et 3 de Van Allen révélèrent la ceinture naturelle de radiation, et fut effectué au-dessus de l'Océan atlantique méridional en août et septembre 1958. Trois bombes ont été éclatées en dehors de l'atmosphère, à la verticale d'un coin désert de l'océan, et le public ne le sut que l'année suivante, avec la publication des études scientifiques correspondantes.
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