A-t-on (enfin) détecté de la matière noire ?

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174735main_LEFTFullDisk.jpg La matière noire, c’est un peu l’homme invisible de la physique. Elle est là, elle est même très présente, puisqu’elle composerait 85% de la matière de l’univers. Seulement, elle n’émet pas de lumière, et ne l’absorbe pas non plus. Résultat : on ne peut pas la voir. En revanche, on sait qu’elle est là, par la théorie, mais aussi par les forces gravitationnelles qu’elle exerce, et qui participent à la cohésion de l’univers : sans matière noire, les galaxies s’éparpilleraient en petits morceaux façon puzzle. Alors, comment détecter quelque chose qui n’interagit pas, ou très peu, avec la matière? C’est l’objet de la quête de la matière noire, saga moderne pour les physiciens et astrophysiciens. Ceux de l’université de Leicester (Angleterre) viennent d’en vivre un épisode dramatique, mais qui pourrait ouvrir la voie vers la détection d’une particule de matière noire, l’axion. Le professeur George Fraser, directeur du centre de recherches spatiales de l’université de Leicester, auteur principal d’une étude publiée ce lundi dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society n’en verra malheureusement pas la confirmation (ou l’infirmation) : il est décédé dramatiquement en mars. Mais qu’a donc découvert cette équipe ? “Le fond diffus de rayons X – le ciel, après que l’on ait enlevé les sources lumineuses de rayons X – paraît inchangé, quel que soit l’endroit d’où on l’observe”, explique l’un des co-auteurs de l’étude, le  Dr.Andy Read. “Cependant, nous avons découvert un signal saisonnier dans ce fond de rayons X qui n’a pas d’explication conventionnelle, mais qui est en accord avec la découverte d’axions.” Il semblerait, selon l’étude, que les axions sont produits dans le coeur du Soleil, et en réagissant avec les ceintures magnétiques qui protègent la Terre, ils se transformeraient en rayons X. Le signal dû à ces axions serait donc plus grand lorsqu’on l’observe en direction du Soleil. Axion_PR.png Cette étude est cependant discutée, il y a des pour, et des contre. “Ces découvertes excitantes, le dernier papier de George, pourraient être vraiment innovantes, et potentiellement ouvrir une fenêtre sur une nouvelle physique et pourrait avoir des implications énormes, non seulement pour notre compréhension du véritable ciel des rayons X mais aussi pour identifier la matière noire qui domine le contenu massif du cosmos”, déclare Andy Read. Il met cependant un bémol à son enthousiasme dans un entretien avec la revue Nature : “Nous avons trouvé un résultat inhabituel que nous ne pouvons expliquer par aucune méthode conventionnelle, et cette théorie de l’axion , elle, l’explique. Mais c’est juste une hypothèse, et beaucoup d’hypothèses ne survivent pas.” Christian Beck, qui a travaillé sur les axions à l’université Queen Mary de Londres (et n’a pas participé à l’étude) déclare au Guardian que “les axions de matière noire, ou des particules ressemblant aux axions, pourraient être responsables de ceci car elles peuvent se transformer en photons dans le champ magnétique terrestre. Cette découverte pourrait potentiellement être très importante. Ce qui est moins clair, cependant, est si toutes les autres explications de l’effet mesuré peuvent être exclues. Une véritable découverte de matière noire qui soit convaincante pour la plupart des scientifiques nécessiterait des résultats réguliers de plusieurs expériences différentes utilisant différentes méthodes de détection, en plus de ce qui a été observé par le groupe de Leicester”. Prudence donc, l’affaire des ondes gravitationnelles, toujours en suspens, montre que dans ce domaine il faut parfois attendre des mois après l’enthousiasme initial pour que la science tranche. Mais si elle s’avérait exacte, l’article de feu le professeur Fraser ferait date dans l’histoire.   Credits photos : - Image du soleil obtenue par la mission Stereo (NASA) - Schéma (pas à l’échelle) montrant les axions (en bleu) en provenance du Soleil se changeant en rayons X (orange) au contact du champ magnétique terrestre (en rouge), qui sont ensuite détectés par l’observatoire XMM-Newton. (© Université de Leicester). Continue reading

Le Prix Nobel de Physique pour Vera Rubin, Parti Pris!

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Vera Cooper Rubin '48
Chers Académiciens des Sciences du Royaume de Suède,

Mardi 7 octobre, après-demain, aura lieu l’annonce du ou des lauréats du Prix Nobel de Physique pour l’année 2014. Mesdames et Messieurs les Académiciens des Sciences de Suède, je sors de ma réserve pour vous proposer, ou vous suggérer, voire vous inciter, pour ne pas dire vous implorer de considérer le cas d’une chercheuse qui mérite amplement de se voir attribuer ce fameux Prix. Je veux parler de madame Vera Rubin, aujourd’hui âgée de 86 ans.
Vera Rubin en 1948 (20 ans) à Vassar College
(Vassar Archive)
J’estime que les travaux de Vera Rubin sur la découverte d’une anomalie majeure de la dynamique des galaxies en 1970 et qui a mené des milliers de physiciens et d’astrophysiciens de par le monde depuis lors à étudier quelle pourrait être la raison d’une telle anomalie, appelée existence de matière noire, est une découverte majeure, au même titre que le fut la découverte de l’anomalie de la vitesse d’expansion cosmique mise à jour par Saul Perlsmutter, Brian Schmidt et Adam Riess en 1998 et pour laquelle vous leur avez décerné le Prix Nobel de Physique en 2011.
Faut-il rappeler que la nature du phénomène à l’origine de cette expansion accélérée de l’Univers, attribuée à une “énergie noire”, n’a pourtant encore jamais été déterminé, pas plus que celle à l’origine de l’anomalie de la dynamique des galaxies, la “matière noire”, découverte par Vera Rubin, ces deux concepts fondant pourtant le paradigme actuel en astrophysique et en cosmologie? Il est même assez aisé de prédire que l’impact de l’existence d’une matière invisible est plus important sur notre vision de l’Univers que ne pourrait l’être celui de la présence d’une énergie du vide.
Vera Rubin installant un spectrographe sur le 84 pouces
du Kitt Peak en 1970 (DTM/Carnegie Institution)

Vous aurez sans doute également remarqué, chers académiciens, que Vera Rubin est une femme. Et nous aurons aussi remarqué, nous, que vous ou vos prédécesseurs, depuis 1901, n’avez décerné le prix Nobel de Physique que deux fois à des femmes : une première fois en 1903 à Marie Curie (pour 1/4 du prix, partagé à la fois avec son époux Pierre Curie et avec Henri Becquerel), puis en 1963 à Maria Goeppert Mayer, à nouveau pour 1/4 du prix, partagé avec deux hommes. Etant donné la valeur des travaux scientifiques de Vera Rubin, rare femme ayant réussi a percer dans le milieu très très masculin (pour ne pas dire plus) de l’astrophysique aux Etats-Unis à la fin des années 1950, et ne pouvant pas croire que vous attendiez 2023 pour décerner un nouveau Nobel de Physique à une représentante de la moitié de l’humanité, fusse pour un quart du prix, vous vous honoreriez à décerner cette année le prix Nobel à cette astrophysicienne hors du commun qui a su convaincre ses pairs par ses travaux extrêmement novateurs à une époque où être une femme était tout sauf une aide dans le monde académique.

Vera Rubin vers 2010
(Michael A. Stecker)
Vera Rubin a suivi ses études a Vassar College dans l’Etat de New York, où elle prit goût à l’astronomie à la fin des années 1940. Elle poursuivit ses études supérieures là où les femmes étaient acceptées, ce fut à Cornell University, où elle eut la chance d’avoir pour professeurs des physiciens de talent, futurs nobélisés (Richard Feynman (1965) ou Hans Bethe (1967)). Elle poursuivit sa thèse de doctorat sous la direction d’un autre physicien déjà nobélisé, George Gamow (1946).
Le résultat de son travail de thèse, en 1954, consacré à l’étude des galaxies, fut déjà révolutionnaire, lorsqu’elle proposa que les galaxies se rassemblaient en vastes amas, un concept qui fut admis seulement vingt ans plus tard par la communauté scientifique. Ce n’est qu’en 1965 que Vera Rubin put être la première femme à pouvoir accéder au télescope du Mont Palomar, jusqu’alors réservé aux hommes…
Mesdames et messieurs les académiciens suédois, si ce n’est pour l’ensemble de ses travaux sur les galaxies, vous vous enorgueilliriez d’offrir le prix Nobel de Physique à Vera Rubin pour ses travaux sans précédents sur l’étude de la rotation des galaxies, qu’elle mena durant toutes les années soixante et soixante-dix et qui la menèrent à imposer observationnellement l’idée de l’existence d’une masse invisible à l’origine des fortes anomalies systématiquement  observées sur des milliers de galaxies.
Mesdames et messieurs les académiciens, vous avez attendu seulement 13 ans pour récompenser l’observation d’une anomalie de l’expansion de l’Univers, dont l’origine est totalement inconnue. Qu’attendez-vous pour récompenser l’observation de l’anomalie de la rotation des galaxies, vieille de plus de 45 ans, et de source tout aussi inconnue, mais pourtant fondamentale aujourd’hui en cosmologie ? Qu’attendez-vous donc pour récompenser le travail d’une femme, astrophysicienne ?
Mesdames et messieurs les académiciens, il se fait tard, et si jamais le nom de Vera Rubin ne vous inspirait pas, vous pourriez avantageusement vous tourner vers celui de Jocelyn Bell (71 ans), découvreuse en 1967 du premier pulsar, et dont vous ou vos prédécesseurs avez honteusement attribué la découverte et le prix Nobel en 1974 à celui qui n’était que son directeur de thèse et cosignataire des travaux…

Avec tous mes respects,


http://drericsimon.blogspot.com
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Le Salar d’Uyuni – le désert de sel de Bolivie : géologie et hexagones

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Salar-De-Uyuni-3
Comme Taupo en Australie ou plus récemment Dr Goulu avec le mal de l’altitude, je me lance dans les comptes-rendus (scientifiques) de voyage. Cet été, j’ai en effet eu la chance de partir quelques semaines en Bolivie et au Pérou, où j’ai fait le p…
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La mort étrange d’ancêtres géants du Soleil

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80077_web.jpgLes premières étoiles de l’univers ont disparu il y a bien longtemps. Composés principalement d’hydrogène et d’hélium, ces soleils monstrueux avaient une vie courte, seulement quelques millions d’années, et aujourd’hui ils ne sont plus qu’un modèle théorique, que l’on n’a pas pu observer. On pense que certaines de ces étoiles seraient encore visibles dans des galaxies incroyablement lointaines, dont la lumière remonterait à un passé suffisamment reculé, mais pour l’instant, il n’y a aucune certitude à ce sujet.  

Avec ou sans métaux, le “conflit des générations” stellaires

Les étoiles que l’on connaît aujourd’hui sont divisées en deux “populations“. Les plus jeunes (relativement) ont moins de 10 milliards d’années, et composent la quasi totalité des étoiles observables. Leurs aînées, elles, ont entre 11 et 13,5 milliards d’années, et se trouvent dans le halo galactique, sphère diffuse autour de la Voie Lactée (ou des autres galaxies). La différence réside dans leur teneur en métaux (en astronomie, les composés autres que l’hydrogène et l’hélium). Alors que les étoiles “jeunes” sont riches en métaux, les plus anciennes, elles, en ont comparativement très peu. Il existe cependant une troisième génération dans l’arbre généalogique des étoiles : les quasi-mythiques étoiles dites de “population III”. Elles seraient nées dans les 400 millions d’années après le Big Bang, auraient été composées quasi uniquement d’hydrogène et d’hélium… et auraient eu une vie très courte. Paradoxalement, ce seraient elles qui auraient été à l’origine des premiers éléments chimiques lourds, formés dans leurs derniers instants, et qui se seraient alors répandus dans l’univers après leur “mort”.

De grands ancêtres retournés au néant?

Les modèles actuels pour ces “grands ancêtres” nous expliquent que ces étoiles ont fini de manière spectaculaire, dans des explosions gigantesques (une supernova démultipliée), laissant derrière elles un trou noir. Seulement voilà, ce modèle ne convient pas à tout le monde, en tout cas pas pour toutes ces étoiles de population III. Une équipe d’astrophysiciens des universités de Californie-Santa Cruz et du Minnesota (USA) vient de découvrir une famille d’étoiles qui n’auraient même pas formé de trou noir, et auraient tout simplement…disparu. Ces étoiles auraient été de véritables monstres de l’espace : 55 à 56000 fois la masse du Soleil. Ke-Jung Chen, auteur principal d’un article écrit sur le sujet dans The Astrophysical Journal, explique qu’ils ont ”découvert qu’il y avait un petit créneau dans lequel les étoiles supermassives pouvaient exploser complètement au lieu de devenir un trou noir supermassif. Personne n’avait découvert ce mécanisme auparavant”. Après 1,69 millions d’années, une telle étoile va devenir instable et commencer à s’effondrer. Durant ce processus, elle va synthétiser rapidement des éléments “lourds” : oxygène, néon, magnésium, silicium…  Le processus réclame davantage d’énergie que celle qui maintient la cohésion de l’étoile. L’effondrement s’arrête, et une explosion massive se produit. Ces gigantesques ancêtres, datant de la prime enfance de l’univers, se seraient donc tout simplement évaporées, ensemençant l’espace de leurs restes… qui ont contribué ensuite à former d’autres étoiles, celles qui peuplent aujourd’hui nos galaxies. Certaines de ces explosions pourraient même avoir déclenché un pic de formation d’étoiles dans leur galaxie… Quelle est donc l’importance aujourd’hui de savoir que, parmi les soleils géants primordiaux, certains aient disparu et pas d’autres? Pour les chercheurs, “avec une plus grande compréhension de la manière dont ces étoiles sont mortes, on espère glaner quelques aperçus de la manière dont l’univers tel que nous le connaissons s’est formé”.   Crédit photo : Simulation d’une vue en coupe d’une étoile supermassive de 55000 masses solaires, montrant le coeur dans lequel l’hélium est converti en oxygène. (Ken Chen, Université de Californie-Santa Cruz) Continue reading

Comment faire parler les vagues

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Fascinant et spectaculaire, décryptez les vagues pour y repérer les effets de la réfraction, la réflexion et la diffraction et portez un autre regard sur les plages autour de vous. Ce billet a été initialement publié dans le magazine Cephalus (n°1 – septembre 2014). Tremblez, physiciens, du fin fond de …
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Quand des bulles de plasma changent le cours d’une bataille

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Anaconda-helicopter.jpgC’était en 2002, en pleine guerre d’Afghanistan. L’Opération Anaconda, en mars, avait pour cible quelques 150 à 200 Talibans qui avaient pris leurs quartiers d’hiver dans une vallée de la province de Paktia, au sud de Kaboul. Le 4 mars, au petit matin, un hélicoptère Chinook de l’armée US est envoyé sur le pic du Takur Ghar, à la rescousse d’une équipe de Navy Seals. Avant son atterrissage, un message radio est envoyé à l’hélicoptère, l’avertissant que la position est aux mains de l’ennemi et qu’il ne doit pas atterrir. Le message n’arrivera pas. Sept soldats américains seront tués dans la bataille qui s’ensuivra. Jusqu’ici, le responsable désigné de la mauvaise communication était le terrain montagneux et accidenté, rendant difficiles les communications radio. Mais une étude qui vient d’être publiée dans la revue Space Weather propose une autre explication, qui implique… des bulles de plasma.

Comme des bulles d’air dans l’eau

plasma-bubbles.jpgLa partie supérieure de l’atmosphère, l’ionosphère, est constamment soumise aux radiations solaires. Sous l’effet de ces radiations, une partie des gaz se transforme : les atomes perdent des électrons, et l’ensemble constitue une couche de plasma, un mélange d’atomes ionisés et d’électrons “libres”. Durant les heures de la journée, les radiations solaires maintiennent ce plasma dans un état relativement stable, mais à la tombée de la nuit, des électrons vont rejoindre leurs atomes, pour former de nouveau des gaz neutres électriquement. Cette recombinaison se produit plus rapidement à basse altitude, ce qui rend le plasma moins dense, et l’amène à monter sous forme de bulles dans le plasma plus épais au-dessus de lui, un peu comme des bulles d’air sous l’eau. Ces “bulles de plasma” créent des turbulences qui peuvent alors détourner et disperser les ondes radio. C’est en lisant un compte-rendu de l’opération Anaconda, dix ans plus tard, que Michael Kelly, du Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (Maryland, USA) a émis l’hypothèse que les communications radio de ce matin fatal avaient été perturbées par des bulles de plasma. Collectant des données du satellite TIMED, de la NASA, Michael Kelly et son équipe ont eu de la chance : le satellite était passé au-dessus du champ de bataille.  Ils ont donc pu démontrer qu’une bulle de plasma se trouvait à ce moment-là entre le satellite de communications et l’hélicoptère, et aurait donc contribué au problème de communications. Les chercheurs ont également mis au point une modélisation informatique susceptible de prédire de tels impacts. Bien sûr, en mars 2002, ces technologies n’existaient pas, et rien n’aurait pu changer le cours de la bataille… Mais on sait désormais que les bulles de plasma peuvent causer des perturbations dans les communications. Avec des conséquences graves.   Crédits photos :  Troupes américaines durant l’Opération Anaconda (Département de la défense des USA via Wikimedia Commons) - représentation d’une bulle de plasma dans l’ionosphère qui perturbe les communications en provenance d’un satellite (NASA) Continue reading

Les Instruments Scientifiques de PHILAE

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Philae, vous allez souvent entendre ce nom dans les semaines qui viennent, avec un paroxysme le 12 novembre, date à laquelle cette petite sonde atterrira sur la comète Churyumov-Gerasimenko. Philae est le petit atterrisseur que la sonde Rosetta va envoyer à la surface de la comète au nom imprononçable, autour de laquelle elle s’est mise en orbite à plus de 1 milliard de kilomètres de la Terre. 

Les instruments scientifiques de Philae (ESA).
La raison pour laquelle les planétologues ont décidé de poser une petite sonde sur une comète est simple : on veut savoir de quoi sont faites les comètes, ces objets qui existent depuis le début du système solaire sans avoir trop évolué, qui sont des vestiges de notre système solaire, vieux de plus de 4 milliards d’années. Nous voulons tout savoir sur les comètes, car elles peuvent être comme une pierre de Rosette pour notre compréhension de la formation de notre système solaire, et par extension de tous les systèmes stellaires…

Et Philae est une toute petite sonde de 100 kg à peine, avec un volume un peu plus petit que 1 mètre cube, mais littéralement bourrée de technologie. Car Philae doit analyser la comète Churyumov-Gerasimenko (alias 67P) in situ. Il n’est pas question de rapporter des échantillons, tout doit se faire sur place. Je vous propose de partir à la découverte de tous les instruments high tech emportés par Philae, qui ont été imaginés et développés il y a maintenant plus de 15 ans…
Ces instruments scientifiques sont au nombre de 10 et vont exploiter de nombreux paramètres physiques : la lumière émise, absorbée, et diffusée, la conductivité électrique, le champ magnétique, la chaleur ou encore les ondes acoustiques, pour étudier de nombreuses propriétés de la comète, on peut citer la morphologie et la composition chimique du matériau de surface, la structure interne du noyau cométaire, ou encore les gaz ionisés au dessus de la surface. Philae est en outre muni d’un bras pouvant emporter un instrument, et a la possibilité de pivoter sur lui-même sur 360°.

Listons ces instruments plus en détail : 

Tout d’abord, nous avons deux imageurs : CIVA et ROLIS. CIVA est en fait un ensemble de trois systèmes de caméras, CIVA-P est un système multiple de prises de vues panoramiques, situés tout autour de Philae et permettant de surveiller les alentours de l’atterisseur, notamment dans la phase d’atterrissage. CIVA-M/V est un imageur en trois couleurs ayant une résolution microscoscopique (7 µm), et CIVA-M/I, quant à lui est un imageur infra-rouge qui observera les échantillons avant qu’ils soient envoyés dans les fours de COSAC et PTOLEMY (voir plus loin).
ROLIS, lui, est un imageur unique, il couvre un champ de vue de 57° est est situé à l’aplomb immédiat de Philae. Son objectif est de vérifier ce qui se passe exactement en dessous du module durant sa descente vers la comète. Mais une fois posé, ROLIS continuera à prendre des images de la surface en mode spectroscopique. Et comme il n’est pas situé au centre de l’atterrisseur, il pourra étudier une zone circulaire sous Philae, lorsque ce dernier produira des rotations autour de son axe.

Le détecteur Alpha Proton X-ray Spectrometer (APXS) de Philae
Inst. for Inorganic Chemistry & Analytical Chemistry,
Max-Planck Institute for Chemistry)
Puis, nous avons un instrument incontournable pour toute sonde ayant pour objectif d’analyser un matériau, quel qu’il soit : APXS (Alpha Proton X-ray Spectrometer). Comme son nom l’indique, APXS est un spectromètre qui exploite différents types de rayonnements. Il contient une source radioactive de curium-244, qui est un puissant émetteur alpha. L’émission de rayons alpha vers le sol va permettre de connaitre sa nature en mesurant les rayonnements qui reviennent vers la source d’émission.
Ces rayonnements peuvent être de trois sortes : premièrement des rayons alpha qui se trouvent rétrodiffusés par des noyaux d’atomes possédant à peu près la même masse que le noyau d’hélium (de l’hydrogène au béryllium en gros), deuxièmement des protons, lorsque les rayons alpha interagissent avec des noyaux un peu plus gros, des protons peuvent être éjectés, et être mesurés. Enfin, des rayons X, lorsque les rayons alpha ont ionisés des atomes et que les couches électroniques des atomes en questions se réorganisent en produisant instantanément des rayons X, dont l’énergie particulière est une signature sans équivoque du type d’atome qui lui a donné naissance.

Vient ensuite un instrument peu commun sur les sondes planétaires : CONSERT (COmet Nucleus Sounding Experiment by Radio wave Transmission). Son objectif est de déterminer la structure interne de la comète en mesurant comment se transmettent des ondes radio à travers le noyau cométaire. Des ondes radio sont émises par Philae et reçues par Rosetta en orbite et inversement. L’atténuation des signaux radio est ensuite disséquée par des algorithmes très élaborés et c’est alors la comète qui s’en trouve disséquée…

Parlons ensuite de MUPUS (Multi-Purpose Sensor for Surface and Subsurface Science). MUPUS doit étudier les propriétés mécaniques et thermiques du sol cométaire jusqu’à une profondeur de 30 cm. Pour cela, il est muni d’un pénétrateur qui est une sorte de gros marteau devant taper un gros coup pour enfoncer l’instrumentation composée de thermomètres qui seront situés à différentes profondeurs, et d’un accéléromètre. Au niveau de la surface du sol, MUPUS sera équipé d’un radiométre, sorte de thermomètre pour mesurer la température via le rayonnement infra-rouge.

Il y a un autre instrument sur Philae qui va creuser des trous, c’est SD2 (Sample Drill and Distribution). Son but est de carotter le sol sur une profondeur maximale de 20 cm. Les échantillons prélevés, de quelques millimètres cube seulement, sont ensuite distribués à d’autres instruments pour analyse (notamment COSAC et PTOLEMY). Précisons que les zones à forer par SD2 seront déterminées auparavant par les données issues de ROLIS et APXS. 

COSAC et PTOLEMY, parlons-en, tiens. COSAC, de son vrai nom Cometary Sampling and Composition est ce qu’on appelle un chromatographe en phase gazeuse. Il analyse la nature des atomes ou molécules d’un gaz grâce à un spectromètre de masse, qui trie les molécules par leur masse respective. Il sera très utile notamment pour l’étude des molécules organiques, qui devraient être nombreuses à la surface de 67P (j’utilise son pseudo, pardon).
PTOLEMY, lui, est également un analyseur de gaz, mais dédié principalement à la quantification des isotopes d’un élément donné. Un point essentiel sera l’analyse du carbone contenu dans le comète, et les ratios des isotopes carbone-12, carbone-13 et carbone-14, qui permettront de savoir beaucoup de choses sur l’histoire de la comète.
Ces deux analyseurs ont en commun qu’ils analysent du gaz, ce qui veut dire que les échantillons fournis par SD2 devront au préalable être chauffés dans des petits fours pour en extraire le gaz à analyser.
Les analyseurs COSAC (intégré sur Philae, à gauche) et PTOLEMY (au labo, à droite) (ESA)

SESAME (Surface Electrical Sounding and Acoustic Monitoring Experiment). En fait, sous ce nom unique se cachent trois instruments d’analyse acoustique et électrique. Le premier d’entre eux s’appelle SESAME-CASSE, il est tout à fait original dans le sens où il est positionné sur chacun des pieds de Philae et va émettre et écouter des sons (dans la gamme audible), c’est un peu le chant de Philae. Un pied émet un son et les autres écoutent l’écho de ce son en provenance de l’intérieur de la comète et ainsi de suite à tour de rôle. Mais SESAME-CASSE fonctionnera aussi en mode silencieux, juste à l’écoute des craquements internes de la comète…
Le deuxième élément de SESAME s’appelle SESAME-PP, c’est un instrument visant à mesurer la permittivité électrique du sol cométaire, toujours via les pieds de la sonde.
Le troisième sous-système de SESAME est le SESAME/DIM (Dust Impact Monitor). Son objectif est de mesurer très précisément les grains de poussière venant impacter l’atterrisseur, grâce à un détecteur piézoélectrique. Il pourra compter le nombre de grains de poussière ayant une taille de 1 µm à 6 mm de diamètre, et une vitesse comprise entre 0,025 et 0,25 m/s.

Enfin, nous terminons ce tour de Philae par l’instrument ROMAP (Rosetta Lander Magnetometer and Plasma). ROMAP est là encore un détecteur multiple composé de trois appareils différents : un magnétomètre, qui mesurera très finement le champ magnétique de 67P (si il y en a un), avec une sensibilité de 1 centième de nanotesla. Ensuite, un moniteur de plasma, ROMAP/SPM, qui va mesurer la densité, l’intensité, et la direction des électrons et des particules légères chargées au niveau du sol de la comète. Ce gaz ionisé n’est rien d’autre que le gaz relâché par la comète qui se trouve ionisé par le rayonnement UV du soleil, et qui va former la belle chevelure de la comète à son approche du Soleil. Enfin, ROMAP contient également un capteur de pression, pouvant mesurer une pression de l’ordre de 1 milliardième de la pression atmosphérique…

Tous ces instruments de haute technologie ont été développés spécifiquement pour cette mission, et ont du être adaptés aux contraintes de masse, de taille et de puissance électrique consommée, qui ont été, on s’en doute, extrêmement difficiles à concevoir et mettre en oeuvre. 
L’enjeu est de taille, au delà des planétologues, les scientifiques du monde entier attendent beaucoup des résultats qui seront obtenus grâce aux instruments de Philae. Le 12 novembre prochain sera un jour crucial. Il faut que l’atterrissage de Philae se passe bien…


source:
Rosetta’s Philae Lander: A Swiss Army Knife of Scientific Instruments
T. Reyes 
Universe Today  september 22, 2014
http://drericsimon.blogspot.com
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LUNA, ou l’Astrophysique Nucléaire Souterraine

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gransasso
La connaissance la plus précise des réactions thermonucléaires qui ont lieu au cœur des étoiles est une étape très importante en astrophysique nucléaire : elle permet non seulement d’appréhender au mieux la production d’énergie dans les étoiles, mais aussi leur production de neutrinos et la création des éléments chimiques. 
Pour connaître précisément ces réactions nucléaires, notamment leur section efficace (leur probabilité d’occurrence), rien de tel que de les reproduire sur Terre, et même sous terre…



L’expérience LUNA (Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics) est une manip dédiée à de telles mesures de précision en astrophysique nucléaire. Elle est installée au laboratoire souterrain du Gran Sasso (LNGS) en Italie. Elle utilise des accélérateurs de particules pour créer des réactions nucléaires et mesurer leur section efficace. Ces petits accélérateurs sont enfouis dans le souterrain du LNGS pour bénéficier du très bas bruit de fond provenant des rayons cosmiques. En effet, les mesures qu’effectue LUNA doivent être si précises, et le signal étant tellement faible et rare, qu’à la manière de la recherche de particules de matière noire, l’expérience doit être installée dans le fameux tunnel de l’A24 situé auprès de L’Aquila.


L’accélérateur de LUNA et M. Anders du
Helmholtz-Zentrum de Dresden-Rossendorf (HZDR/Anders)
L’un des objectifs les plus ambitieux de l’astrophysique nucléaire est d’expliquer l’origine et l’abondance de tous les éléments chimiques que nous connaissons, et qui prennent naissance dans le cœur des étoiles, dans de multiples réactions thermonucléaires et sous de multiples scénarios possibles, ainsi que dans l’Univers primordial et sa nucléosynthèse du même nom…
Dans les étoiles, tout commence avec l’hydrogène, c’est à dire avec des protons. Le premier  processus de fusion nucléaire consomme 4 protons pour finalement produire un noyau d’hélium, en libérant une énergie de 27 MeV. La combustion nucléaire de l’hydrogène correspond à la phase la plus longue de la vie d’une étoile et est responsable de sa luminosité. Il y a deux voies possibles pour produire un noyau d’hélium à partir de 4 protons, soit par le processus appelé p-p, soit par celui, plus efficace, dit du cycle CNO. D’autres types de processus existent ensuite dans les étoiles de deuxième génération, comme les cycles NeNa ou MgAl.
Vue du hall principal du laboratoire souterrain du Gran Sasso (INFN)
LUNA a utilisé un “petit” accélérateur de 50 kV entre 1992 et 2001 et utilise aujourd’hui une machine un peu plus grosse de 400 kV. Ces accélérateurs permettent de produire des réactions nucléaires entre protons et deutérium par exemple, ou encore entre deux noyaux d’hélium-3, deux réactions fondamentales qui entre en jeu dans le processus p-p. Mais les résultats les plus importants ont sans doute été obtenus par l’étude de la réaction d’un proton sur un noyau d’azote-14, une réaction qui produit un noyau d’oxygène-15 et l’émission d’un photon gamma. Cette réaction a notamment des conséquences sur la production de neutrinos du cycle CNO, ainsi qu’indirectement sur l’âge des amas globulaires.
On peut également citer une autre réaction nucléaire d’importance étudiée par LUNA, la réaction dans laquelle on bombarde de l’hélium-4 sur de l’hélium-3 et qui produit du béryllium-7 et un photon gamma, cruciale pour comprendre la production de lithium lors de la nucléosynthèse primordiale d’une part et la production de neutrinos solaires par le béryllium-7 et le bore-8 d’autre part.

Le point commun de ces expériences, outre qu’elles accélèrent des ions sur des cibles, est qu’elles nécessitent de détecter des rayons gamma de relativement haute énergie, ce qui permet d’en déduire combien il y a effectivement eu de réactions, par rapport au nombre d’ions envoyés, et donc de déterminer la probabilité de la réaction en question (sa section efficace).
Comme je l’ai déjà dit, ces probabilités peuvent être très petites, il y a donc alors peu de rayons gamma produits. Or, des rayons gamma, il y en a partout autour de vous… Ils proviennent de la radioactivité naturelle. Pour s’en débarrasser lorsqu’on est au niveau de la mer, cela peut vite devenir complexe. On utilise des blindages autour des détecteurs de rayonnement, le plus souvent des détecteurs à semi-conducteur au germanium refroidi ou des scintillateurs en germanate de bismuth. Ces blindages vont fortement atténuer ou carrément absorber les photons gamma. Les meilleurs blindages de ce type sont ceux utilisant des matériaux de numéro atomique élevé, le plomb le plus souvent.
Spectre gamma du bruit de fond mesuré à LUNA
(sans blindage plomb en bleu, avec blindage en rouge) (LUNA collab.)

Mais le plomb au niveau de la mer, comme les autres éléments lourds, possède un défaut majeur : lorsqu’il est utilisé sous forme de gros volume (comme ce qui est nécessaire dans les mesures de LUNA), des muons du rayonnement cosmique vont y produire des réactions de spallation, créant des petites gerbes de neutrons. Et ces neutrons à leur tour vont pouvoir produire des réactions de diffusions inélastiques et de capture sur les noyaux d’atome rencontrés, en produisant devinez quoi ? Des rayons gamma… On peut ainsi générer des photons gamma à proximité immédiate d’un détecteur en voulant éliminer les photons gamma venant de plus loin… 
La seule solution pour remédier à cette quadrature du cercle est d’éliminer le flux de muons cosmiques responsable des interactions parasites dans le plomb, et donc d’aller s’enfouir en profondeur sous 1400 mètres de roches, là où le flux de muons est réduit d’un facteur 1 million.
Dans le laboratoire souterrain du Gran Sasso, les détecteurs germanium entourant l’accélérateur de LUNA peuvent être surblindés en plomb sans risque, et ainsi éliminer la quasi totalité de la radioactivité ambiante pour ne détecter que les photons gamma des précieuses petites réactions nucléaires des étoiles qui sont reproduites dans un silence abyssal…

Une évolution de LUNA est d’ores et déjà prévue pour entrer en service en 2018 et déjà les américains et les chinois montrent des velléités de suivre les pas européens innovants de l’astrophysique nucléaire souterraine.


Source :

Nuclear astrophysics and underground accelerators
Alessandra Guglielmetti, for the LUNA collaboration
Physics of the Dark Universe, Volume 4, September 2014
http://drericsimon.blogspot.com
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