Quand je dis que je suis docteure en astrophysique, généralement, les gens me regardent lʼair franchement effaré. Ils ont en général du mal à imaginer ce que peut être une journée de physicien. Cʼest assez normal. Vous avez sûrement lʼimpression que le monde de la physique ne vous concerne pas franchement. Cʼest sûr que si je vous raconte quʼil y a des types dans le sous-sol de la frontière suisse qui font des collisions de quarks et de gluons, au mieux vous allez me demander si ça se mange, au pire vous allez vous dire quʼon devrait investir dans dʼautres choses plus importantes...

Et je comprends très bien.

Mais en réalité, la recherche scientifique est intimement liée à notre vie quotidienne. Sans lʼélectromagnétisme, pas de grille-pain, dʼampoule électrique, dʼaspirateur... Sans hydrodynamique, pas dʼavions. Sans la relativité, pas de communication par satellite.

Sans compréhension de la radioactivité, pas de radiothérapie. La liste est très longue. Et dans cet article jʼaimerais parler du LHC (en français : grand collisionneur de hadrons), qui est sans aucun doute la plus grande expérience scientifique de tous les temps, par ses dimensions, son coût et le nombre de personnes impliquées. Cʼest la plus grande machine jamais construite par lʼhomme, un anneau creux, à peu près aussi long que le périphérique parisien, enterré près de Genève. Sur lʼimage ci-dessous vous pouvez vous rendre compte de la taille dʼun des détecteurs de particules du LHC.

Cette taille gigantesque est nécessaire pour pouvoir accélérer des protons ou des ions (voir encadré ci-dessous pour la définition) jusquʼà quasiment la vitesse de la lumière et ensuite de les faire se percuter dans une collision très violente. Mais pourquoi font-ils cela ? Ces petits grains de matières que sont les protons sont en réalité composés dʼautres grains encore plus petits et le seul moyen de les « voir » cʼest dʼécraser violemment les protons. Si vous voulez savoir comment est faite une orange et que vous nʼavez pas de couteau, vous pouvez tout simplement lʼécraser et vous voyez alors apparaître ses composantes : la pulpe, le jus, les pépins. Ici ces composantes portent les jolis noms de quarks et de gluons.

Ces expériences apporteront de nombreuses informations sur lʼantimatière, la matière noire, lʼexistence de particules inconnues et aussi sur la jeunesse de lʼunivers. En effet, les conditions de température et de pression qui seront bientôt atteintes au LHC sont proches de celles de lʼunivers à ses débuts. Lʼobservation de ces collisions équivaut alors à regarder lʼunivers tel quʼil était il y a 14 milliards dʼannées !

Mais je vous avais promis du concret et le voilà. En ce moment au LHC les physiciens réalisent à peu près 600 millions de collisions par seconde. De ces collisions jaillissent un très grand nombre de particules. Ces observations sont transformées en données numériques, ce qui représente une quantité faramineuse de données, lʼéquivalent de 15 millions de CDs par an !

Un seul centre de calcul nʼaurait jamais suffi à traiter toutes ces données, lʼidée est donc de répartir cette charge sur un réseau mondial dʼordinateurs, appelé la grille (traduction de lʼanglais the grid). Cette grille permet un échange dʼinformations, comme le réseau web, mais en plus, et cʼest le plus important, elle permet une mise en commun de la puissance et de la capacité de stockage de chaque ordinateur du réseau. Si vous avez un travail à faire, mais pas assez de ressources sur votre propre ordinateur, vous pouvez envoyer votre requête à un ordinateur gestionnaire, qui va trouver à quel endroit sur la planète des ordinateurs sont disponibles pour faire votre travail le plus vite possible.

Et cette technologie est déjà utilisée ailleurs quʼau LHC, elle permet par exemple dʼaccélérer les prévisions par modélisation des inondations ou de lʼactivité des volcans, la recherche sur de nouveaux médicaments. Encore plus concrètement, elle permet une aide au diagnostic médical avec une analyse plus rapide des images médicales ou une comparaison automatique avec des archives, permettant de trouver des cas similaires. Tous les domaines de recherche bénéficieront de cette technologie et donc tous les citoyens.

Aujourdʼhui ces grilles sont encore séparées les unes des autres et réservées à des organismes scientifiques, mais les plus ambitieux imaginent déjà une grille mondiale à la disposition de chacun. Cette histoire rappelle celle du web, inventé en 1989 par des scientifiques du CERN, pour pouvoir partager plus facilement des données, juste entre scientifiques bien sûr... La physique dʼaujourdʼhui continue de faire les révolutions technologiques de demain.

Article rédigé par Sarah Fechtenbaum publié en 2011 ou 2012 (je sais pu trop).

Un vent de nouveauté souffle sur le monde de la physique, en provenance du LHC, le grand collisionneur de particules lové sous la frontière franco-suisse. Cette immense machine, la plus grande installation scientifique jamais réalisée, a atteint son régime de croisière depuis 2010. Les résultats préliminaires présentés aujourd’hui ont de quoi bouleverser notre conception de la matière et de l’univers. Rien que ça !

Le «modèle standard» a été construit par les physiciens depuis les années soixante pour décrire mathématiquement les particules élémentaires qui composent toute chose dans l’univers : les quarks, les leptons et les bosons, ainsi que leurs interactions. Chose étrange, ce modèle prédit que les particules doivent avoir une masse nulle. Or, vous avez dû vous en apercevoir, vous avez une masse !

La particule pot-de-colle

Pour résoudre ce problème, Peter Higgs a alors suggéré en 1964 l’existence d’une particule spéciale, le boson de Higgs. L’univers serait en réalité rempli de ces bosons du genre pots-de-colle, qui interagissent avec les autres particules et les ralentissent. La masse n’est plus une propriété intrinsèque de la matière, mais le résultat de l’interaction avec les bosons de Higgs. Plus une particule interagit avec les bosons, plus elle sera ralentie et donnera l’impression d’être massive.

L’une des raisons de la construction du LHC est la recherche de cette particule, devenu la pierre angulaire du modèle standard. Le LHC est constitué d’un anneau de 27 km de long dans lequel sont créés des faisceaux de particules, voyageant en sens inverse l’un de l’autre, à quasiment la vitesse de la lumière. L’objectif est la collision frontale entre les deux faisceaux, à une énergie colossale. Les particules vont alors interagir et créer une multitude d’autres particules, observées par les détecteurs du LHC.

Le graal des physiciens enfin à leur portée

Aujourd’hui, les équipes du LHC ont présenté leurs résultats démontrant l’existence irréfutable d’un boson de Higgs. De nombreuses autres données recueillies dans les prochains mois montreront si ce boson a bien les propriétés prévues par le modèle standard ou s’il est plus exotique.

En effet, quelques menus problèmes persistent dans notre compréhension de l’univers. Par exemple, la question de la matière noire (lien), qui constituerait l’essentiel de la matière, mais de nature encore totalement inconnue. De nombreux physiciens espèrent que les propriétés du boson de Higgs éclaireront cette question.

Et vous saurez enfin pourquoi vous avez une masse (et ça, c'est la classe, grosses fesses ou non).

Pour aller plus loin
Magnifiques photos à 360° et sonorisées du LHC :
http://petermccready.com/
Le site du LHC, avec des vidéos :
http://www.lhc-france.fr/les-experiences/a-la-recherche-du-boson-de-higgs

Sur certains problèmes, les physiciens peuvent juste déclarer «Nous savons que nous ne savons rien». Cʼest le cas de la matière et de lʼénergie noires. Additionnez vos voisins à tous les êtres vivants, à la Terre, aux autres planètes, rajoutez toutes les étoiles de lʼunivers et là vous obtenez... seulement 5% de la masse de lʼunivers ! Un peu décevant. En effet les physiciens pensent que tout le reste est composé de matière et dʼénergie dites «noires» ou «sombres». Une autre façon de dire quʼon ne sait strictement rien à leur propos !

Mais nous sommes peut-être à lʼaube dʼun changement profond dans notre vision de lʼunivers, ces derniers mois ont été fertiles : des chercheurs européens ont annoncé avoir observé 67 particules de matière noire et, dʼautre part, une publication américaine a présenté une façon simple et révolutionnaire de détecter cette matière furtive.

Les mauviettes à la rescousse

Les physiciens ont de nombreuses preuves que la matière noire existe, la plupart venant de lʼobservation du mouvement des galaxies. Pourtant, ils nʼont que des hypothèses sur sa nature. Une petite part pourrait être constituée dʼétoiles ratées qui nʼémettraient presque pas de lumière. Mais le candidat chéri des physiciens est le WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), ce qui veut dire en anglais «mauviette».

La raison de ce nom peu flatteur vient du fait que cette particule nʼinteragit presque pas avec la matière habituelle (celle que lʼon peut voir). Dʼoù la très grande difficulté de les observer, car nos détecteurs sont bien sûr constitués de matière ordinaire. Cʼest un peu comme si vous vous serviez dʼune passoire plongée dans une rivière pour remplir un bol, vous allez y arriver, mais très lentement!

Des physiciens motivés ont alors construit un détecteur, appelé CRESST-II, à 1400 m sous la chaîne de montagnes des Appenins en Italie. Cette immense quantité de roche joue le rôle de filtre en arrêtant les particules plus légères quʼon ne souhaite pas détecter. Il aura fallu deux ans pour mesurer seulement 67 «traces» de ces supposées WIMPS.

Cʼest une étape importante dans lʼétude de la matière noire mais du travail reste à faire avant la véritable annonce dʼune découverte. Car les résultats dʼautres chercheurs à travers le monde ne sont pas univoques : certains sont en accord avec le groupe du CRESST, mais dʼautres ont trouvé des WIMPS aux caractéristques différentes, ou bien pas de WIMPS du tout...

Une rencontre cosmique exceptionnelle

Mais si on voyait plus grand ? Quittons nos montagnes pour lʼespace. Des milliards de milliards dʼétoiles. Parmi elles, tapis dans lʼombre, pourraient se cacher des trous noirs primordiaux. Pas le genre monstre géant et affamé comme celui qui réside au milieu de notre galaxie, mais plutôt le genre nabot essouflé. Ces trous noirs se seraient formés peu après la naissance de lʼunivers et seraient tout petits mais suffisamment massifs pour être de bons candidats à la matière noire. Ils interagissent aussi très peu avec leur environnement et sont donc difficiles à voir sauf... sʼils traversent une étoile !

Cʼest lʼidée quʼont eu des chercheurs américains. Car lʼeffet de cette petite boule de matière ultra concentrée passant à travers une étoile ou même simplement à proximité serait observable car lʼétoile serait alors légèrement déformée. Lʼun des chercheurs résume ainsi : «Si vous tapotez du doigt un ballon rempli dʼeau, les ondulations de lʼeau à lʼintérieur sont similaires à ce qui se passerait à la surface de lʼétoile.» Vous pouvez voir sur ces vidéos les simulations par ordinateur réalisées par lʼéquipe :

http://www.princeton.edu/~hanasoge/vr.2.MT.mpg
http://www.princeton.edu/%7Ehanasoge/vr.2.SS.mpg

Une part du génie de cette idée vient aussi de son coût : presque nul ! En effet, de nombreux satellites sont déjà en train dʼobserver un grand nombre dʼétoiles, il nʼy a quʼà analyser leur observations pour chercher des traces de ces petits monstres.

Le lien vers le site de lʼuniversité de Princeton (pour les trous noirs primordiaux) :
http://www.princeton.edu/main/news/archive/S31/64/44M13/index.xml?section=topstories

Un article plus détaillé sur la détection des WIMPS : http://www.sciencenews.org/view/
generic/id/334275/title/Hints_of_dark_matter_reported%2C_again

Première publication de cet article : 6 décembre 2011.

Cette belle galaxie a été prise en photo depuis les Alpes mais ne sautez pas dans le train pour Méribel, vous risqueriez d'être déçu. En effet, avec vos yeux, impossible de la voir. Il vous faudrait acquérir la dernière génération de télescope pour voir quelque chose. Oh, pas grand chose, juste 10 antennes de 5 étages de haut chacune à peu près ! Il faut dire que cette galaxie, qui répond au doux nom de IC342, est particulièrement lointaine, à environ 10 millions d'années-lumière. Pour ne rien arranger, sa lumière doit traverser la gaz et la poussière de notre propre galaxie pour nous parvenir. Galère, je vous dis.

C'est l'observatoire NOEMA qui est parvenu à cet exploit. C'est le télescope le plus puissant de l'hémisphère nord dans le domaine des ondes radio, plus précisément le domaine de la lumière millimétrique (petit rappel sur les différents types de lumière ici). Il s'agit donc de 10 antennes (et bientôt 12) de 15m de haut, situées sur le plateau de Bure dans les Alpes. Celles-ci viennent d'être inaugurées en septembre dernier.

Si vous avez déjà vu un télescope ou une lunette astronomique dans votre vie, vous allez me dire que ça n'y ressemble pas trop. C'est pas faux. En effet, on n'observe pas la même lumière avec NOEMA. Un télescope ou une lunette reçoivent la lumière visible. Mais ces antennes-là reçoivent la lumière du domaine radio. Pour comprendre la différence, on peut imaginer la lumière comme une onde, c'est-à-dire une série de vagues qui se propagent dans l'espace-temps.

Dans cette représentation, la lumière du domaine radio est une vague avec des crêtes plus éloignées les unes des autres que la lumière visible (ce que vous pouvez voir sur le schéma ci-dessous). Si vous voulez attraper un mérou, vous pouvez utiliser un filet à grosses mailles, si par contre c'est le krill qui vous intéresse, il vous faut un filet très fin. C'est exactement la même chose avec la lumière. Pour attraper la lumière visible, il vous faut un miroir ou une lentille sans aspérité, alors que pour attraper une onde radio, vous pouvez vous contenter d'une grille grossière ou de panneaux de tôle. Pratique, hein ?

Et pourquoi un grand tas d'antennes ? Un grand nombre d'antennes, ça sert à voir des détails plus petits. Et ça sert aussi à éviter de construire une antenne gigantesque, qui permet certes de capter plus de lumière, donc de voir mieux, mais qui est difficile et cher à construire. Le plus grand radiotélescope du monde, c'est le télescope FAST en Chine, avec juste... 500 mètres de diamètre ! Un monstre. Alors bon, pour faire plus pratique, on a une autre technique, faire travailler ensemble plusieurs antennes. Il faudra alors bosser dur pour assembler les lumières reçues par les différentes antennes et reconstituer une image, mais à la fin, on obtient un résultat avec une résolution digne d'un télescope de plus de 700 m de diamètre ! On est alors capable de voir ce qu'il se passe dans IC342, une galaxie très très éloignée de nous, formée très peu de temps après le Big-Bang ! On peut être fiers (si, si, soyons fiers, c'est la classe).

La dernière des méthodes de détection, indirecte elle aussi, s'appelle la méthode des vitesses radiales. Il s'agit d'enregistrer la lumière d'une étoile, d'en déduire la vitesse de l'étoile et de voir si celle-ci varie avec le temps. On parle de vitesse radiale car on mesure la vitesse le long d'un "rayon" entre nous et l'étoile.

On dit que les planètes tournent autour de leur étoile. En fait, si on veut être précis ou se la péter en société, on peut dire que c'est faux : les planètes et l'étoile tournent autour du centre de masse du système. La présence de la planète perturbe légèrement le mouvement de l'étoile. Comme on peut le voir sur l'animation ci-dessous, l'étoile semble tourner autour de la petite croix :

En conséquence, la vitesse de l'étoile sera modifiée de façon périodique, en fonction des propriétés de la planète (sa masse, son éloignement par rapport à l'étoile...). En alliant ces deux dernières méthodes, les auteurs de l'article (disponible ici, en anglais) ont pu mesurer que la super Terre avait un rayon de 2 fois celui de la Terre, une masse presque 5 fois celle de la Terre et une période de rotation de 6,3 jours (Oui oui, techniquement, 1 an sur cette planète correspond à seulement une petite semaine sur Terre).

L'intérêt d'une telle détection est la proximité de la planète avec son étoile bien brillante (environ 5 fois plus proche que Mercure ne l'est du Soleil), qui permettra dans de futures analyses d'observer en détail l'atmosphère de la planète si elle en possède une ou encore de sonder les entrailles de la planète. De quoi mieux comprendre la formation des planètes, mais aussi chercher des traces de vie dans leur atmosphère !

Bon, aujourd'hui, j'avoue, c'est pas très mystérieux comme image. A moins que vous viviez dans une grotte sans fenêtre, vous savez que c'est un arc-en-ciel, bravo. Un chouia plus dur : qui peut m'expliquer pourquoi on voit toutes ces couleurs ? Vous vous souvenez probablement que la lumière du Soleil, qui nous apparaît à peu près blanche, est en fait composée d'un tas de couleurs, qu'on divise arbitrairement en un certain nombre, selon les cultures. Vous vous souvenez même peut-être avoir joué à l'école avec un coin en verre appelé prisme.

MAIS... ce n'est pas tout !

Ces jolies couleurs ne sont qu'une toute petite partie de la lumière, il y en a bien plus ! Ces autres couleurs ne sont pas visibles à l'œil nu. Vous en connaissez certaines de nom : les ultra-violets (les fameux UV qui vous crament pendant que vous bronzez), les rayons X pour voir à travers les corps, les micro-ondes qui réchauffent ta quiche aux brocolis, l'infrarouge dont on a parlé précédemment, etc.. Tout ça, c'est de la lumière ! En plus d'avoir des tas d'applications dans nos vies quotidiennes, ces différentes lumières sont très utiles pour nous, astrophysiciens.

On peut représenter ces lumières en les mettant sous forme de frise, appelée spectre, avec la lumière visible au milieu, comme ci-dessus. À gauche de la lumière visible, on trouve les UV, les rayons X et les rayons gamma. Ces lumières contiennent beaucoup plus d'énergie que la lumière visible. Dans l'univers, ils sont émis par des phénomènes violents comme des explosions d'étoile, des collisions, etc.

À droite, il y a l'infrarouge, les micro-ondes et les ondes radios (qui portent les voix de nos animateurs radio), etc. A l'inverse, ces lumières sont moins énergétiques que la lumière visible. En astrophysique, elles sont par exemple émises par les nuages de gaz froids et denses où les étoiles se forment. On peut aussi regarder un même objet, par exemple le Soleil, dans différentes lumières, pour apprendre différentes choses, comme sur l'image ci-dessous. Si on veut observer les éruptions solaires, très énergétiques, les UV et les rayons X seront plus adaptés, alors que si je veux regarder les taches solaires, ces zones plus froides de la surface du Soleil, la lumière visible conviendra mieux.

Les apparences sont parfois trompeuses, et c'est le cas aussi dans l'espace ! Sur l'image de gauche, il semble qu'il y ait un trou dans le ciel étoilé. Serait-ce un endroit totalement vide ? C'est ce qu'on a cru pendant longtemps (et Twitter me dit que certains le croient encore...). En fait, c'est tout le contraire ! Il s'agit d'un nuage de gaz appelé Barnard 68, du nom de son découvreur et du numéro qu'il lui a attribué (Ô, science, fais-nous rêver). Il est tellement dense qu'il ne laisse pas passer la lumière des étoiles qui se trouvent derrière lui.

L'image de gauche montre le nuage en lumière visible, c'est-à-dire celle que nos yeux voient. C'est une photo, quoi, tout ce qu'il y a de plus normal ! L'image de droite, avec ses couleurs un peu étranges, c'est aussi notre nuage, mais cette fois vu grâce à une autre lumière : l'infrarouge. Celle-ci n'est pas visible directement par nos yeux, pourtant, votre corps en émet ! C'est directement lié à votre température corporelle et c'est ce qui est utilisé dans certaines jumelles de vision de nuit. Grâce à elle, on se rend compte qu'en effet, des étoiles se cachent derrière le nuage !