Archives pour la catégorie Physique

Bert et Ernie, les Deux Neutrinos les Plus Energétiques du Monde

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bert+ernie muppets
Bert et Ernie sont des marionnettes célèbres de Sesame Street. Les physiciens de la collaboration IceCubedevaient être des grands fans de ce programme pour enfants pour avoir dénommé ainsi les deux neutrinos les plus énergétiques qu’ils aient pu détecter.
IceCube est un détecteur de neutrinos géant qui est situé dans la glace de l’Antarctique, d’où son nom. Les physiciens de la collaboration internationale du éponyme viennent de publier sur le site de préprints Arxiv leurs résultats concernant deux événements hors norme qui ont été détectés en août 2011 (Bert) et janvier 2012 (Ernie). Ces deux neutrinos possèdent la caractéristique rare d’avoir une énergie de l’ordre du Petaelectron-volt (PeV), soit 1000 TeV, ou si vous préférez, 1 million de GeV.
Ces énergies sont absolument considérables, ce qui fait dire aux spécialistes des astroparticules que ces deux neutrinos là doivent venir de très loin, et probablement pas de notre environnement proche, ni être  des produits de réactions secondaires. Ils pourraient même ne pas venir de notre galaxie, mais de bien plus loin.
Les deux événements observés en aout 2011 (à gauche) et en janvier 2012 (à droite). Chaque sphère représente un module photomultiplicateur, les couleurs représentent le délai d’arrivée des photons de lumière, la taille des sphères figure l’énergie correspondante (arXiv:1304.5356 [astro-ph.HE])
De fait, ces deux neutrinos Bert et Ernie sont très probablement les premiers depuis 1987 à être détectés en provenance de l’extérieur de notre système solaires, les précédents étant les neutrinos produits lors de l’explosion de la supernova SN 1987A dans le grand nuage de Magellan, galaxie voisine de la nôtre.
Et ce qui est très intéressant avec les neutrinos, c’est que ne possédant pas de charge électrique et ayant une masse toute petite, ils ne sont pas déviés au cours de leur trajet dans l’espace, ce qui est fort utile lorsque l’on veut localiser leur source.
Schéma de IceCube (IceCube collaboration)
Le principe de détection de IceCube repose sur l’interaction des neutrinos énergétiques avec la couche de glace antarctique, qui produisent des gerbes de particules chargées, elles-mêmes très énergétiques et produisant alors un fort rayonnement Cherenkov. Le rayonnement Cherenkov est de la lumière visible (bleue) qui est produite lorsqu’une particule chargée se déplace à une vitesse supérieure à celle de la lumière dans le milieu considéré. Il n’existe donc pas dans le vide, mais est très efficace dans l’eau, qu’elle soit liquide ou solide. La vitesse de la lumière dans l’eau est égale à sa vitesse dans le vide divisée par l’indice de réfraction, qui vaut 1,33. Elle est donc de 225500 km/s. Inutile de préciser que des particules légères ayant une énergie cinétique de l’ordre du GeV, du TeV ou du PeV dépassent largement cette vitesse.
IceCube est constitué de 5160 photomultiplicateurs distribués le long de 86 filins positionnés dans de très longs trous creusés à même la glace à une profondeur comprise entre 1450 et 2450 m, là où l’épaisseur de glace atteint les 2800 m! Ces sortes d’yeux électroniques enregistrent la moindre lumière présente dans un volume total de 1 kilomètre cube de glace exactement.
Alors que les collisions typiquement enregistrées par IceCubeavoisinent au maximum les 100 TeV, Bertet Ernie ont déposé dans la glace une énergie respectivement de 1,04 et 1,14 PeV, soit environ 10 fois plus que la normale. Ces événements ont été trouvés dans l’analyse des données accumulées durant 616 jours entre 2010et 2012.
Et la traque se poursuit. Alors que les photomultiplicateurs enregistrent en continu ce qui se passe dans la glace, des Teraoctets voire Petaoctets de données s’accumulent et sont une nourriture très riche pour les 300 physiciens de la collaboration internationale qui cosignent cette étude.
Les spécialistes des neutrinos espèrent pouvoir expliquer, en trouvant des neutrinos extragalactiques, d’où viennent les rayons cosmiques ultra énergétiques qui parviennent jusque sur Terre, et dont l’origine peut être commune. 
Concernant Bert et Ernie, les physiciens de IceCube ont encore un petit doute et restent prudents sur leur origine extragalactique, mais ils devraient lever sous peu leurs doutes en analysant toujours plus de données… Ils n’ont probablement plus le temps de regarder la télé.
Référence :
First observation of PeV-energy neutrinos with IceCube,
M.G Aartsen et al. IceCube Collaboration
arXiv:1304.5356 [astro-ph.HE]  arxiv.org/abs/1304.5356
http://drericsimon.blogspot.com
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L’impensable Hasard: retranscription de l’interview de Nicolas Gisin

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Nicolas_Gisin
Retranscription de l’interview de Nicolas Gisin le 11 avril 2013 (Podcast Science 126) Un immense merci à Leo pour le boulot! NicoTupe : Nicolas Gisin présente dans son livre un concept que je ne connaissais personnellement pas : l’intrication quantique. Bien comprendre ce que c’est et pourquoi c’est révolutionnaire (oui, vous m’avez convaincu M. Gisin) n’est [...]
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La Relativité Générale Indéboulonnable

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psrJ0348+0432 graphic
Grâce à leur densité extrêmement élevée, les étoiles à neutrons massives peuvent être utilisées pour tester la théorie de la gravitation – la Relativité Générale – dans des conditions extrêmes. C’est ce qu’ont réussi à faire John Antoniadis et son équipe en observant un pulsar de 2 masses solaires. Ils montrent dans un article publié cette semaine dans Science que la perte d’énergie orbitale de ce système binaire (un pulsar lié gravitationnellement à une étoile naine blanche) est totalement en accord avec ce que prédit la théorie d’Einstein. Ils confirment ainsi la validité de la Relativité Générale (RG) dans une configuration de très fort champ gravitationnel, là où certains théoriciens prévoyaient que la théorie d’Einstein ne serait plus valide.
Les étoiles à neutrons ayant une masse supérieure à 1,8 masses solaires produisent un champ gravitationnel énorme qui pourrait sortir du cadre de la relativité générale, c’est du moins ce que pensaient certains physiciens théoriciens. Seulement, pour tester ces idées, il fallait pouvoir observer un cas bien particulier impliquant par exemple un système binaire contenant un pulsar de grande masse et sur lequel on pourrait mesurer la perte d’énergie orbitale par émission d’ondes gravitationnelles.
Vue d’artiste du système pulsar binaire (Antoniadis et al.)

Antoniadis et al. se sont intéressés à un pulsar millisecondes nommé PSR J0348+0432 en observant la structure temporelle de son émission radio (de période 37 ms) ainsi qu’en faisant l’analyse spectroscopique de la lumière de son étoile compagnon, une naine blanche qui lui tourne autour en seulement 2,46 heures.
A partir de ces données, ils ont calculé les masses très précises des deux compagnons, ainsi que des paramètres orbitaux et dynamiques du système, et la perte d’énergie orbitale correspondante.
L’équipe d’astrophysiciens européens et américains signant cette étude montre ainsi que sur une période de suivi de deux ans, la période orbitale du système décroit significativement de 8,6 µs par an.
La masse de PSR J0348+0432 vaut très exactement 2,01 +-0,04 masses solaires. Il s’agit seulement de la deuxième étoile à neutrons à être mesurée avec une masse aussi élevée. Cette mesure confirme par ailleurs l’existence même de ce type d’étoiles à neutrons.
Avec ces valeurs de masses et de période orbitale, la théorie de la Relativité Générale prédit une décroissance orbitale importante.  Et la valeur mesurée par Antoniadis et al. de ce paramètre est en excellent accord avec la valeur prédite par la Relativité Générale, avec un ratio observation/théorie égal à 1,05 +-0,18, on pouvait difficilement faire mieux!
Comme ce pulsar binaire possède une énergie de liaison gravitationnelle 60% plus forte que n’importe quel autre étoile à neutron binaire où ont déjà été détectés des effets d’émission d’ondes gravitationnelles, les mesures de sa décroissance orbitale font de ce système un véritable laboratoire de gravitation en régime extrême.
Les résultats obtenus, très concordants avec la Relativité Générale, confirment ainsi sa validité y compris dans des couplages matière-gravitation extrêmes. Ils permettent en outre de rejeter l’existence de phénomènes à fort champ qui étaient prédits par des théories alternatives.
Ces beaux résultats indiquent d’autre part la pertinence de l’utilisation des principes de la RG pour la détection sur Terre d’ondes gravitationnelles qui seraient produites par des événements violents de type fusion d’étoiles à neutrons ou de trous noirs.
Voies de production possibles de PSR J0348+0432 et futur envisageable.
Mais en plus de produire un test excellent pour la RG en conditions extrêmes, PSR J0348+0432 ouvre également des pistes de compréhension sur l’évolution de la rotation des étoiles à neutron après accrétion de masse.
L’émission continue d’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles va continuer à rapprocher les deux compagnons et raccourcir d’avantage leur période orbitale.
Dans 400 millions d’années, la période orbitale du système ne sera plus que de 23 minutes, la naine blanche se sera tellement rapprochée de l’étoile à neutrons que cette dernière pourrait accréter le peu de matière de l’enveloppe qui lui reste pour ne laisser qu’une sorte de planète de fer (le cœur de la naine blanche), à moins que la masse ainsi ajoutée ne fasse dépasser la masse critique au-delà de laquelle l’effondrement en trou noir est inéluctable…
Référence :
 A Massive Pulsar in a Compact Relativistic Binary
J. Antoniadis et al.
Science Vol. 340 no. 6131 (26 April 2013)
 
http://drericsimon.blogspot.com
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Le modèle cosmologique remis en question par la mission Planck ?

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Structure de l'Univers
Le mois dernier, j’ai eu la chance d’assister à la conférence de presse de l’ESA (Agence Spatiale Européenne) pendant laquelle les scientifiques qui ont travaillé sur la mission Planck ont dévoilé les résultats de quatre années de travail et d?…
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La Supernova Qui Etait trop Brillante

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supernova
Les supernovae sont des phénomènes extrêmement lumineux. Lorsqu’une étoile termine sa vie ainsi, en explosant, elle émet brusquement une bouffée d’énergie, de neutrinos et de lumière qui peut supplanter toute la galaxie qui l’abrite. Et certaines supernovæ sont un peu trop lumineuses au gout des astrophysiciens qui les étudient avec attention.
PS1-10afx est une supernova de ce type. Découverte en 2010 au télescope PanSTARRS de Hawaï (le télescope qui a donné son nom à la comète qui nous a passionné le mois dernier). Elle est située à 9 milliards d’années-lumière, une distance considérable, et sa luminosité apparente a montré qu’elle était aussi brillante que 100 milliards d’étoiles du type soleil! Une étoile qui se met soudainement à briller comme 100 milliards d’étoiles…

Vue d’artiste d’une supernova avant explosion
Ryan Chornock, du Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics et ses collègues publient cette semaine la découverte de cette supernova dans The Astrophysical Journal. Ils en détaillent ses caractéristiques comme une couleur plus rouge que la normale, ainsi que sa courbe de luminosité (variation de la luminosité dans le temps) très inhabituelle, avec une montée en seulement 12 jours et une décroissance également très rapide.
Pour eux, PS1-10afx fait tout de même partie de la famille des supernovæ dites « superlumineuses », qui d’habitude peuvent montrer des luminosités 10 à 100 fois supérieures à la normale. Elle serait un cas extrême de cette classe. 
Mais en fait, non seulement par sa luminosité, mais aussi par ses diverses caractéristiques observables, PS1-10afx apparaît être une supernova extravagante : lumière à dominante rouge au lieu d’UV classiquement observé pour le type SLSN (SuperLuminous SuperNovae), vitesse d’éjection photosphérique de 11000 km/s, rayon d’émission très grand (50 milliards de kilomètres) malgré le temps de montée de la luminosité très court…
D’autre part, les précédentes SLSN observées étaient toutes situées dans des jeunes galaxies naines, ce qui n’est absolument pas le cas de la galaxie hôte de PS1-10afx : il s’agit d’une galaxie assez massive de 20 milliards de masses solaires, avec une population stellaire âgée de 100 millions d’années, et qui produit des étoiles à un taux de 15 masses solaires par an…
Ses caractéristiques excluent pour cette supernova des sources d’énergie typiques des supernovæ ultra-brillantes : explosion dans un milieu circumstellaire dense qui permet de convertir de l’énergie cinétique de l’explosion en rayonnement supplémentaire ou bien création d’un pulsar ultra rapide à fort champ magnétique produit lors du collapse (ce qu’on appelle un magnétar). Rien de tout ça pour PS1-10afx…

PS1-10afx est-elle réellement une supernova superlumineuse ? Une supernova, ça ne fait aucun doute. Mais une équipe d’astrophysiciens du Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe à l’Université de Tokyo, s’est interrogée, après la lecture du preprint de Ryan Chornock, sur la réalité de cette luminosité hors norme.
Robert Quimby et son équipe ont donc réutilisé les données de l’équipe de Chornock  en analysant le spectre de la supernova et en le comparant avec tous les types de spectres des différents types de supernovae connus. Et ce qu’ils trouvent et qu’ils publient dans les prochains jours dans Astrophysical Journal Letters, c’est que cette supernova PS1-10afx possède un spectre très similaire à celui d’une supernova de type Ia (les fameuses supernovae utilisées comme chandelles cosmiques pour mesurer les distances, nous en avons déjà parlé souvent), mais comme si l’amplitude de sa luminosité était amplifiée…
Mais ils vont plus loin, car il existe un phénomène bien connu produisant des amplification de luminosité : les effets de lentilles gravitationnelles. 
Illustratrion du phénomène de lentille gravitationnelle (NASA, ESA et L. Calcada)
En effet, les fortes masses (grosses galaxies, amas de galaxies, …) peuvent incurver les trajectoires des photons, mais à la manière des lentilles optiques que nous connaissons, elles produisent également une intensification du signal résultant. 
Quimby et al. proposent ainsi que PS1-10afx est une supernova relativement classique mais située en arrière plan d’une forte masse qui se trouve placée exactement au bon endroit (par un heureux hasard) pour amplifier considérablement sa lumière… Leur explication préférée serait la présence d’une galaxie principalement constituée d’un halo de matière noire (donc invisible) entre la supernova et nous, ils imaginent également la possibilité d’un trou noir supermassif errant…
Mais Chornock ne croit pas à cette explication, arguant du fait que le phénomène de lentille gravitationnelle requiert la présence d’une masse très importante, d’un amas de galaxies par exemple, or on ne voit rien de tel, et de plus selon lui un tel alignement serait hautement improbable.

Quimby rétorque qu’il s’apprête à tester son explication, simplement en observant très attentivement la galaxie hôte de PS1-10afx à la recherche de distorsions gravitationnelles dans l’image de la galaxie. Pour tester son modèle, il a donc demandé du temps d’observation sur le télescope spatial Hubble. Il fallait au moins ça pour mettre au clair la réalité ou non d’une telle furie.
Si l’explication « lentille gravitationnelle » se confirmait, les implications pourraient être nombreuses tant en cosmologie, que dans les domaines des bouffées gamma ou des halos de matière sombre…

Références :
PS1-10afx At z=1.388: Pan STARRS1 Discovery Of a New Type of Superluminous Supernova
R. Chornock et al. 
ApJ 767 162 (2013)

Extraordinary Magnification Of The Ordinary Type Ia Supernova PS1-10afx
R. Quimby et al.
ApJ 768 L20 (2013)

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La genèse de la physique quantique

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Max Planck (image Wikimedia)
Il fut un temps, pas très lointain, où nombreux étaient les scientifiques qui avaient la conviction que l’humanité était toute proche d’avoir compris l’ensemble de l’univers, et n’émettaient aucun doute sur la complétude de nos théories. Une phrase attribuée à William Thompson (Celui qui détermina le zéro absolu à -273,15°C et sera rebaptisé Lord Kelvin [...]
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