Sciences et Philosophie étaient auparavant mélangées et ne formaient qu'un... Aujourd'hui c'est rarement le cas. Ce blog est conçu pour que tous les gens s'intéressant aux Sciences (spécialistes ou non) puissent interagir et donner leurs opinions sur cette chose étrange qui parait retranscrire la réalité en équations.
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Benjamin
On pourrait penser que les physiciens et les climatologues savent parfaitement comment les nuages se forment dans notre atmosphère… Eh bien non !
Des physiciens fabriquant des nuages. © Noémie.
Il y a encore de nombreuses inconnues et nous ne savons toujours pas expliquer pourquoi nous observons autant de nuages ! Les modèles climatiques doivent d’ailleurs être corrigés « à la main » pour les phénomènes de création des nuages.
Les Aérosols et les nuages
Il y a dans notre atmosphère des aérosols autour desquels de la vapeur d’eau se condense sous forme de gouttelettes pour former un nuage.
Les aérosols sont de petites particules solides de l’ordre du milliardième de mètre (nanomètre) en suspension qui sont d’origines naturelles ou industrielles. Certains aérosols sont dangereux pour la couche d’ozone (comme les chlorofluorocarbures aujourd’hui interdits dans les bombes aérosols) mais d’autres sont inoffensifs comme les aérosols soufrés produits entre autres par les incendies de forêt ou la combustion de carburants fossiles dans nos voitures. Ces aérosols permettent la formation des nuages et luttent contre le réchauffement climatique puisqu’ils renvoient la lumière du soleil. Certains scientifiques estiment d’ailleurs que le rejet d’aérosols par l’activité économique humaine compense le réchauffement climatique entraîné par les gaz à effets de serre. Des études montrent également des différences sur la formation de nuages entre les jours de la semaine et les week-ends à cause de l’activité humaine.
CLOUD
« Cloud » signifie « nuage » en anglais, mais c’est aussi un acronyme pour « Cosmics
Leaving OUtdoor Droplets », une expérience menée au CERN par des physiciens pour mieux comprendre comment les nuages se forment, ou plutôt comment les
aérosols sont créés dans l’atmosphère. En effet, aujourd’hui la quantité des différents gaz sous forme de vapeur dans l’atmosphère ne peut pas expliquer à elle seule la création d’autant
d'aérosols, et donc d’autant de nuages: un autre phénomène doit avoir lieu pour créer ces aérosols.
L’expérience CLOUD dans le complexe du PS au CERN. © CERN.
La réponse viendrait peut être du cosmos qui nous bombarde constamment de particules énergétiques appelées « rayons cosmiques », découverts au début du 20ème siècle. Ces rayons cosmiques pourraient, lorsqu’ils traversent notre atmosphère, être responsables de la création d’aérosols entraînant la formation de nuages.
Les physiciens de CLOUD reconstituent un milieu proche de celui de l’atmosphère à différentes altitudes avec des concentrations de gaz extrêmement précises dans différentes chambres. Un accélérateur de particules du CERN, le Proton Synchrotron (PS) est ensuite utilisé pour générer des faisceaux de particules énergétiques (des pions) équivalents à des rayons cosmiques pour bombarder la chambre et observer le résultat. L’analyse des données doit permettre de mieux expliquer la formation de certains aérosols et à améliorer les modèles sur l’impact des aérosols sur le climat en général.
Chambre interne de l’expérience CLOUD. © CERN.
CLOUD est une collaboration internationale regroupant 18 instituts de 9 pays dont le CERN où a lieu l’expérience. Pour la petite info, c’est dans mon groupe de travail qu’est élaboré le système de contrôle de CLOUD manipulant tous les différents gaz pour obtenir des mélanges proches de ceux observés dans l’atmosphère.
Pour plus d’info sur les dernières trouvailles de CLOUD :
http://cloud.web.cern.ch/cloud/
Au mois de novembre 2010, une équipe du CERN avait réussi à mettre de l’antimatière en boite pendant quelques fractions de secondes et au mois de mars 2011 c’est pendant 20 minutes que les physiciens ont capturé de l’antihydrogène dans un piège…
L’antimatière a toujours interpellé les auteurs de science-fiction depuis sa découverte dans les années 30 étant donné que l’énergie produite par la rencontre de matière et d’antimatière est colossale. Voilà une nouvelle qui relance l’idée de savoir si l’antimatière pourrait un jour être utilisée pour la propulsion spatiale comme dans Star Trek.
Mesurer l’énergie
L’énergie se mesure en Joule mais cette unité n’est pas très commode et peu représentative. Pour avoir une unité de mesure plus parlante et pour comparer les énergies facilement, on parlera plutôt en kilogramme équivalent pétrole ou « kep » qui correspond à l’énergie calorifique que l’on peut extraire d’un kilogramme de pétrole. Pour information, 1 kg de pétrole permet de produire 42 millions de Joules sous forme de chaleur lorsqu’on le brûle (combustion). Pour se rendre compte de ce que cela représente, un européen moyen consomme en moyenne 10 kep par jour.
L’USS Enterprise de Star Trek fonctionne à l’antimatière.
A titre de comparaison, la fission nucléaire exploitée dans nos centrales nucléaires permet de récupérer environ 10 000 kep par kilogramme d’uranium, soit une concentration énergétique bien supérieure qu’avec la combustion du pétrole. De même, la fusion thermonucléaire qui se produit dans les étoiles et qui pourrait être à long terme une nouvelle source d’énergie pour l’homme sur Terre (voir ITER) permet de récupérer environ 15 millions de kep dans un kilogramme de mélange Deutérium-Tritium.
Et l’antimatière alors ? Selon la célèbre formule E=mc² d’Einstein, 1 kg de matière contient potentiellement 90 millions de milliards de Joules, soit 2 milliards de kep, ce qui correspond à une densité d’énergie 2 milliards de fois supérieure au pétrole et 200 000 fois supérieure à l’uranium avec la fission nucléaire de nos centrales.
Petit résumé des équivalents énergétiques:
- 1 kg de bois (par combustion) = 0,3 kep
- 1 kg de charbon (par combustion) = 0,7 kep
- 1 kg de fioul (par combustion) = 0,95 kep
- 1 kg d’essence (par combustion) = 1,05 kep
- 1 kg d’uranium naturel (par fission nucléaire) = 10 000 kep
- 1 kg de Deutérium-Tritium (par fusion thermonucléaire) = 15 millions de kep
- 1 kg d’antimatière (par annihilation matière-antimatière) = 2 milliards de kep
Exploiter l’antimatière
Pour comprendre ce qu’est l’antimatière, je vous invite à lire un de mes billets précédents sur l’antimatière mise en boite au CERN.
Sur le papier, la solution de l’antimatière pour notre avenir énergétique parait bien évidemment la meilleure. Mais deux grands problèmes se posent (et pas des moindres) :
- Comment créer des quantités suffisantes d’antimatière sans dépenser trop d’énergie
- Comment stoker l’antimatière
Aujourd’hui, l’antimatière est créée dans des accélérateurs de particules en quantité infime et il faut dépenser beaucoup (mais alors beaucoup) plus d’énergie que ce que la quantité d’antimatière pourrait produire. En bref, ce n’est absolument pas rentable. De plus, pour la stocker, il faut fabriquer un piège bien particulier pour maintenir l’antimatière en lévitation dans le vide car le moindre contact avec de la matière ordinaire l’annihile instantanément.
Pour vous rendre compte des ordres de grandeurs, dans un kilogramme d’hydrogène, il y a environ 602 millions de milliards de milliards d’atomes. Il faudrait donc créer autant d’antihydrogènes pour pouvoir faire 1 kilogramme d’antimatière. Or, quand une expérience du CERN annonce avoir réussi à confiner de l’antimatière pendant 16 minutes, ce n’est pas 1 kilogramme mais seulement 309 antiatomes ! L’énergie pouvant être extraite de ces 309 antiatomes est de l’ordre d’un millième de milliardième de milliardième de kep (1.10-15 kep), soit rien du tout. Je précise que pour accomplir cet exploit, on a dû consommer une énergie colossale en comparaison à ces quelques antiatomes…
L’expérience alpha du CERN qui a capturé 309 antihydrogènes pendant 1000 secondes. © CERN.
Le CERN a produit a peu près un milliardième de gramme d’antimatière durant ces 10 dernières années pour un coût estimé de plusieurs centaines de millions d’euros. On voit bien que cette solution n’est aujourd’hui absolument pas envisageable comme source d’énergie.
Une fusée qui carbure à l’antimatière
Pour propulser une fusée, la problématique est différente car on ne cherche pas à faire de l’énergie la moins chère possible sans polluer mais à embarquer un minimum de carburant pour un maximum de puissance. L’antimatière se relève alors être une excellente candidate. Pour mieux vous rendre compte, une mission vers la planète Mars doit embarquer environ 250 tonnes de carburant conventionnel (hydrogène et oxygène liquides) pour un voyage de presqu’une année alors que 10 milligrammes d’antimatière seraient suffisants pour aller sur mars en 1 mois seulement selon la NASA [source]. Toujours selon la NASA, un coût de 250 millions de dollars serait suffisant pour produire ces 10 milligrammes d’antimatière (sous forme de positrons) avec les technologies actuelles. Dans ce cas, cette solution pourrait être envisagée mais tout de même coûteuse.
Schéma de principe du moteur à antimatière pensé par la NASA pour aller sur Mars. © NASA.
En fait, les « moteurs à antimatière » actuellement à l’étude n’utilisent pas forcément directement l’énergie d’annihilation matière/antimatière pour la propulsion mais exploitent les rayonnements énergétiques (appelés rayons gamma) qui sont produits lors de la rencontre matière/antimatière. Ce rayonnement permet alors de chauffer un fluide comme l’hydrogène. Cependant, il faut tout de même fabriquer cette antimatière avant sur Terre et l’embarquer dans ce moteur et cela est encore loin d’être possible avec les technologies actuelles mais sûrement pas impossible à long terme. Affaire à suivre.
Pour aller plus loin:
New and Improved Antimatter Spaceship for Mars Missions (NASA)
FAQ sur l’antimatière 1 (CERN)
FAQ sur l’antimatière 2 (CERN)
Des atomes d’antimatière piégés pendant mille secondes au CERN
Aujourd’hui à 14h56 heure française, le détecteur AMS-02 vient de quitter la Floride à bord du dernier décollage de la navette spatiale américaine Endeavour.
Décollage de la navette Endeavour cette après-midi avec le détecteur AMS à son bord. © NASA.
AMS-02 est un détecteur de particules de 8,5 tonnes élaboré par une collaboration internationale regroupant 56 instituts originaires de 16 pays ainsi que La NASA, plusieurs agences spatiales et le CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire). La construction du détecteur aura durée 12 ans (depuis 1999) et coûté 1,5 Milliards en dollars. AMS sera arrimé à la station spatiale internationale ISS à 300 km d’altitude et devrait fonctionner pendant une dizaine d’années avant de revenir sur Terre vers 2020 lorsque la station internationale sera démantelée.
Le détecteur AMS lors de son assemblage au CERN en Juillet 2010. © CERN.
A quoi ça sert ?
La mission d’AMS a pour objectif principal de découvrir si l’Univers renferme de l’antimatière. En effet, la théorie du Big-bang indique que l’Univers doit contenir autant de matière que d’antimatière alors que les astronomes n’observent que de la matière, d’où le mystère : où est passé l’antimatière ?? (Voir un de mes billets précédent sur l’antimatière). Pour cela, AMS embarque une série de détecteurs capables d’identifier avec certitude de l’antimatière, plus précisément des anti-héliums (des antiatomes d’hélium contenant 2 antiprotons, 2 anti-neutrons et 2 positrons) qui pourraient être issus d’une « anti-étoile », voir d’une « anti-galaxie ». AMS-01 qui s’était envolé à bord de Discovery en 1998 avait déjà cherché ces atomes d’anti-héliums mais AMS-02 doit conforter ce résultat avec une sensibilité accrue qui permettrait définitivement aux astrophysiciens de faire une croix sur l’existence d’antimatière dans l’Univers.
Un autre aspect de la mission AMS est la découverte éventuelle de matière noire. Un autre problème des astrophysiciens est le manque de matière dans l’Univers (décidément, que de problèmes pour ces astrophysiciens !). Une des théories candidates pour expliquer ce manque serait une petite particule appelée neutralino que le détecteur AMS pourrait également détecter (en fait, le détecteur ne détecterai par directement cette particule mais le produit de collision entre ces particules).
Le dernier volet d’AMS est d’apporter une meilleure connaissance sur les rayons cosmiques. De nombreux phénomènes, parfois très énergétiques et violents, ont lieues dans l’espace et génère des particules très énergétiques qu’on appelle rayons cosmiques et qui voyagent à travers l’Univers. Ces rayons cosmiques bombardent ainsi la Terre de manière constante. Cependant, lorsque ces rayons cosmiques arrivent dans l’atmosphère terrestre, ils se désintègrent en de multiples particules moins énergétiques et nous ne recevons sur Terre que les produits de désintégration de ces particules. Heureusement que notre atmosphère nous protège car ces rayons cosmiques peuvent être dangereux pour l’homme et représente un danger réel pour les astronautes, plus particulièrement s’ils sont exposé sur de longues périodes comme lors d’un éventuel voyage habité sur Mars. AMS devrait donc permettre de mieux comprendre ces rayons cosmiques sur de longues durées.
Chaine de désintégration d’un proton énergétique dans l’atmosphère (rayon cosmique)
Comment ca marche ?
AMS signifie « Alpha Magnetic Spectrometer », car ce détecteur de particules est en fait un spectromètre alpha équipé d’un aimant générant un important champ magnétique. Un spectromètre, c’est en fait un instrument capable de séparer le spectre de différents rayonnements et on parle de spectromètre alpha car ce détecteur s’intéresse à des particules alpha (hélium ou anti-hélium) issues de certaines réactions nucléaires.
Le champ magnétique est généré par un aimant permanent de 0,15 Tesla (3000 fois le champ magnétique terrestre) permettant de dévier les particules chargées de manière à séparer matière et antimatière ainsi que pour calculer le moment des particules (leur masse multipliée par leur vitesse). La solution d’utiliser un aimant supraconducteur refroidi avec de l’hélium superfluide à 1,8 K (-271 °C) a été étudiée mais finalement abandonnée à cause de tests non concluants.
L’aimant supraconducteur de AMS-02 au CERN qui ne sera
finalement pas utilisé. © CERN.
AMS est constitué d’une dizaine de sous-détecteurs ayant chacun un rôle précis. Il y en a un pour détecter les électrons et les positrons (TRD), un avertisseur de rayons cosmiques (ToF), un détecteur permettant de tracer les trajectoires des particules chargées (Tracker), un détecteur pour mesurer la vitesse des particules (RICH), un autre pour mesurer l’énergie des électrons, positrons et rayons gammas (ECAL). A cela s’ajoute un « anti coincidence counter » (ACC) permettant de sélectionner seulement les particules intéressantes ainsi que des systèmes d’alignement et de positionnement (TAS, Star Tracker et GPS).
AMS : un ensemble d’une dizaine de sous-détecteurs. © AMS.
L’ensemble des données des différents sous-détecteurs permet ensuite d’identifier avec certitudes les différentes particules ayant traversées les différentes couches. Le principe est un peu le même qu’un détecteur de particules « classique » tels ceux que l’on peut voir dans les accélérateurs de particules comme au CERN mais celui là est conçu pour pouvoir fonctionner dans l’espace et pour résister à la violence d’un décollage de fusée, ce qui impose des contraintes très fortes sur ce petit bijou technologique.
IL n’y a plus qu’à attendre qu’AMS soit fixé à la Station Spatiale Internationale et commence son travail de mesure qui sera minute par minute suivi par l’ensemble de la collaboration depuis une salle de contrôle () pein construite) dédiée à AMS-02 au CERN (à cent de mètres de mon bureau d’ailleurs). J’essaierai d’en reparler dans 10 ans sur ce blog.
J’ai une petite nièce qui veut devenir astrophysicienne, un métier qui peut faire effectivement rêver, mais en quoi consiste le métier d’astrophysicien ?
Premièrement, il faut distinguer les différentes disciplines de l’étude des astres (« astro » en grec) de manière à bien positionner les disciplines les unes par rapports aux autres. A noter que je ne parlerai pas de l’astrologie qui n’est pas une science mais un ensemble de croyances et de traditions humaines qui peuvent varier selon les civilisations.
L’astronomie
L’astronomie est la science qui s’occupe de l’observation et de la mesure des propriétés des astres (leur distance, leur taille, leur intensité, leur composition chimique, etc.) ainsi que de tous les phénomènes extra-terrestres. L’astronomie est donc essentiellement basée sur les techniques d’observation comme les télescopes permettant de détecter des rayonnements électromagnétiques (la lumière, les ondes radios, etc.) issus des différents astres. Voir un précédent billet sur La nature de la lumière ou l’électromagnétisme pour plus de détails sur le rayonnement électromagnétique.
Le plus grand système de télescopes du monde en fonctionnement: le
Very Large Telescope (VLT) situé sur un plateau à 2635 m d’altitude au Chili © ESO.
L’astronomie est un domaine très vaste contenant de nombreuses disciplines. On peut distinguer les disciplines selon le type de rayonnement observé (astronomie visible, radio, infrarouge, gamma, neutrino, X, ultraviolet, gravitationnelle) ou selon le type d’objet observé comme les planètes, le soleil, les étoiles, notre galaxie, les objets hors de notre galaxie (galaxies, pulsars, super novae, trous noirs, quasars, etc.). Toutes ces disciplines utilisent des technologies bien spécifiques pour observer et mesurer ces différents objets célestes.
L’astrophysique
L’astrophysique, comme vous l’avez sûrement compris, est un mélange d’astronomie et de physique. Plus précisément, l’astrophysique est une branche entière de la physique s’intéressant à tous les phénomènes physiques qui se produisent dans l’espace. La différence avec l’astronomie est que l’astrophysique a pour mission d’expliquer les phénomènes mis en jeu au sein des astres et de l’Univers alors que l’astronomie s’intéresse à leur observation. On trouve ainsi différentes branches en astrophysique, selon le sujet d’étude ou selon la théorie utilisée pour expliquer les phénomènes.
La planétologie est la science qui étudie toutes les planètes et autres corps en orbite autour d’une étoile comme les satellites naturels, les astéroïdes, les comètes, les micrométéorites (poussières de moins d’un gramme). Il est donc question ici des objets de notre système solaire (la Terre et la Lune incluses) mais également des planètes situées en dehors de notre système solaire depuis la découverte de la première exoplanète en 1995. La planétologie est fortement pluridisciplinaire puisqu’elle s’intéresse à la géologie, la géophysique, la chimie, la cartographie, la climatologie, etc.
L’astrophysique stellaire étudie quant à elle les étoiles. Elle essaye d’expliquer et de comprendre leur naissance, leur développement dans le temps ainsi que leurs structures parfois complexes. Elle fait donc appel à la thermodynamique, la physique des plasmas, la physique nucléaire et l’étude des rayonnements.
L’astrophysique galactique s’intéresse aux galaxies et cherche à connaitre comme pour les étoiles leur formation et leur évolution ainsi que leurs propriétés physiques et leur répartition. La statistique est ainsi fortement utilisée dans cette discipline en plus des autres domaines nécessaires à l’astrophysique stellaire.
La nébuleuse de l’hélice (aussi appelée l’œil de Dieu) située à 700 années-lumière de la Terre prise par le VLT © ESO.
La cosmologie est assez emblématique de l’astrophysique grâce à la théorie du Big-bang connue du grand public et très populaire, et parfois vivement controversée (principalement par les créationnistes). La cosmologie s’intéresse comme son nom l’indique au cosmos, c’est-à-dire à l’Univers dans son intégralité (on parlait de cosmos du temps de la Grèce antique, il désignait alors un monde clos ordonné, s’opposant au chaos). Les cosmologistes comme on les appelle essayent de retracer l’histoire de notre Univers vieux de 14 milliards d’années, ce sont un peu les historiens du cosmos. Il ne faut pas oublier que regarder loin dans l’espace revient à regarder loin dans le temps puisque la lumière voyage à une vitesse finie (300 000 km/s). Lorsqu’on regarde une galaxie à 13 milliards d’années-lumière, on la regarde telle qu’elle était il y a 13 milliards d’années (soit quelques centaines de millions d’années seulement après le Big-bang) : il s’agit du temps nécessaire pour que la lumière qu’elle émet atteigne notre œil.
L’astrophysique relativiste permet de comprendre les phénomènes physiques astronomiques qui se déroulent à très haute pression et densité d’énergie ou à des vitesses proches de celles de la lumière comme dans les trous noirs ou les étoiles à neutrons. Ces phénomènes ne sont généralement pas explicables par la physique dite « classique » comme la mécanique newtonienne et doivent faire appel aux théories relativistes comme la relativité générale ou la relativité restreinte, initialement élaborées par Einstein au début du 20ème siècle.
L’astrophysique nucléaire est une discipline transverse pouvant étudier les étoiles et l’univers lorsque des réactions nucléaires sont réalisées. Le meilleur exemple est la réaction nucléaire de fusion dans les étoiles transformant l’hydrogène en hélium.
L’astrophysique des particules traite les phénomènes des hautes énergies comme l’étude des rayons cosmiques.
Le soleil est le siège de puissantes réactions thermonucléaires
de fusion transformant l’hydrogène en hélium. © NASA.
Qui sont les astrophysiciens ?
Les astrophysiciens sont des gens normaux (si si, je vous assure) ayant une formation en physique leur permettant de maîtriser de nombreuses disciplines de la physique telles que la mécanique des fluides, la thermodynamique, la mécanique newtonienne, la mécanique relativiste, la physique des particules, etc. qui sont essentielles pour la compréhension des phénomènes astronomiques très divers et variés.
Aujourd’hui, la majorité des disciplines de l’astrophysique consistent de plus en plus à élaborer des modèles mathématiques basés sur les équations de la physique pour réaliser des simulations numériques sur ordinateurs. Ces simulations permettent de confirmer ou infirmer les différentes théories des astrophysiciens en les comparant avec les observations des astronomes. L’outil informatique et la modélisation sont donc des composantes transverses indispensables à presque toutes les branches de l’astrophysique.
Simulation de la galaxie NGC 4254 (à droite) reproduisant fidèlement la distribution du gaz et la concentration de gaz de Virgo HI21 observé (à gauche). © CEA/SAp.
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