Clefs n°58 Automne 2009
Clefs n°58 Automne 2009
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°58 de Automne 2009

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 168

  • Taille du fichier PDF : 7,3 Mo

  • Dans ce numéro : dans les secrets de l'Univers.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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132 Des outils pour sonder l’Univers Le satellite SoHo (lors des derniers tests d’intégration) a été lancé par une fusée Atlas-Centaure et scrute le Soleil à 1,5 million de km de la Terre. Ce satellite, lancé en 1995, est toujours en observation avec des instruments qui étudient le Soleil, du cœur à la couronne. L’instrument GOLF est visible à gauche de l’image. CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 connaissances vont progresser sans pour autant que toutes les problématiques soient résolues. En effet, il faut savoir que les modes acoustiques déplacent les couches atmosphériques selon une vitesse individuelle maximale de 20 cm/s avec une périodicité de quelques minutes. Les modes de gravité, sondes indispensables pour atteindre la dynamique du cœur solaire, se manifestent par des signaux périodiques de quelques heures et des vitesses n’excédant pas 1 mm/s, soit des déplacements d’environ 18 mètres à la surface d’un soleil bien turbulent. Ce défi, l’instrument GOLF l’a déjà partiellement relevé en réalisant des mesures à 400 kilomètres au-dessus de la photosphère solaire, région plus calme et transparente et en détectant les premières manifestations des modes de gravité. Avec lui les équipes du CEA écrivaient la grande épopée dont GOLF NG contribuera à tourner l’ultime page. S. Turck-Chièze/CEA GOLF-NG un spectromètre à résonance multicanal Avec ce nouvel instrument entièrement réalisé à l’Irfu, il sera notamment possible de mesurer simultanément le spectre des modes d’oscillation solaires à huit hauteurs dans l’atmosphère (figure 3) entre 200 et 800 kilomètres au-dessus de la photosphère. Pour les astrophysiciens, ce spectromètre particulier présente une série d’avantages. D’abord, il offre une meilleure détection des signaux acoustiques en raison de leur amplitude croissant exponentiellement, avec la hauteur, dans l’atmosphère. Ensuite, il perfectionne la détection des modes de gravité résultant de la réduction des effets granulaires. Enfin GOLF-NG mesure en continu l’évolution du comportement global de l’atmosphère, entre la photosphère et la chromosphère, région d’émergence du flux magnétique. Le champ magnétique, nécessaire pour réaliser l’échantillonnage en huit points de la raie D1 du sodium, n’est autre qu’un champ axial linéairement variable de 0 à 12 KGauss. Il s’obtient à l’aide d’un aimant permanent construit avec des aimants en néodyme-fer-bore et des pièces polaires en fer-cobalt de petite taille (20 x 15 x 10 cm 3). L’homo généité transverse du champ, en tout point de sa variation le long de son axe, est meilleure de 2% dans un volume cylindrique de 10 mm de diamètre. Cette propriété garantit l’uniformité de la réponse en longueur d’onde pour l’ensemble du volume de résonance de la cellule de gaz. Réalisée en pyrex haute température, celle-ci comporte deux parties indispensables au déroulement de l’opération : le PSD = spectre de puissance (m/s) 2/Hz 10 4 10 3 10 2 10 1 10 -4 10 -3 10 -2 fréquence (Hz) canal 0 canal 1 canal 2 canal 3 canal 4 canal 5 canal 6 canal 7 Figure 3. Première lumière d’un prototype du spectromètre à résonance multicanal GOLF-GN. Sur cette figure apparaît le spectre des modes acoustiques, mesuré simultanément à huit hauteurs dans l’atmosphère. L’étape suivante consistera à améliorer la détection à basse fréquence pour affiner la détection des modes de gravité solaires.
sodium pur se trouve à l’état solide dans sa partie inférieure nommée queusot lorsque la cellule est froide ; lors du chauffage, celui-ci monte dans l’ampoule supérieure placée dans l’axe du champ magnétique croissant, lieu des processus de résonance (figure 4). L’ampoule de verre laisse libres 31 ouvertures pour les photons réémis, bien qu’habillée d’un masque optique et d’éléments chauffants. Les températures de fonctionnement atteignent 190 °C dans la partie supérieure et 175 °C dans la partie inférieure afin d’éviter toute condensation sur ces fenêtres. La puissance électrique nécessaire pour chauffer la cellule jusqu’aux températures indiquées ne dépasse pas les 2 watts. Aucun dispositif de régulation n’y a été installé – l’objectif étant d’éviter tout bruit périodique, d’ordre thermique ou électrique, dans la gamme de fréquence des ondes à détecter (jusqu’à 50 microhertz environ). La stabilité du dispositif, son homogénéité thermique et sa faible consommation résultent de deux éléments : d’abord, d’isolations thermiques à base d’écrans cylindriques en aluminium placés autour de la cellule ; ensuite, de la fabrication des pièces de suspension en chrome-cobalt, matériaux à très faible conductivité thermique. L’ensemble s’intègre dans une pièce mécanique de haute précision, réalisée en inox amagnétique, placée dans l’entrefer de l’aimant et sans contact direct. Cette pièce assure également le placement et le maintien des éléments optiques composant les 31 voies de mesures des 8 canaux du spectrophoto mètre. Constitués de lentilles sphériques traitées antireflet, ces éléments optiques ont été dimensionnés de manière à pouvoir travailler avec des températures atteignant les 80 °C. Ces lentilles captent un maximum de lumière de résonance de l’intérieur de la cellule et, par couplage à une fibre optique en silice, la guident vers la matrice de photodétecteurs. En amont de l’aimant, un sousensemble compact assure trois missions : traiter le faisceau solaire incident, garantir un éclairement uniforme dans la cellule et le changement d’état de la polarisation. Cette dernière étape nécessite l’utilisation d’un cube séparateur de grande pureté et d’un retardateur de phase pourvu d’une lame à cristaux liquides. C’est le changement de phase qui induit le changement de polarisation circulaire du faisceau, à un rythme pouvant passer sous la seconde pour des durées de commutation inférieures à la dizaine de millisecondes. Ce dispositif à cristaux liquides, développé par des chercheurs de Pour succéder à l’observatoire solaire conçu entre l’Agence spatiale européenne (ESA) et la NASA, une mission de vol en formation est proposée pour décrire complètement et continûment l’impact de l’activité solaire sur l’environnement de la Terre. NASA Figure 4. Cellule et coupe en trois dimensions du schéma d’implantation dans l’aimant. l’Institut d’astrophysique des Canaries, autorise une pureté de polarisation allant jusqu’à 99,99%. Fonctionnel depuis janvier 2008, GOLF-NG reste l’unique spectromètre solaire capable d’acquérir, de façon simultanée et rapide, la vitesse Doppler à huit hauteurs dans l’atmosphère solaire. Son optimisation devrait permettre aux chercheurs d’atteindre les performances requises par les missions spatiales et de garantir la fiabilité de l’instrument. Une première campagne d’observations s’est déjà déroulée, en été 2008, à Teneriffe (Espagne) qui a permis de qualifier le principe de ce nouveau spectromètre. Pour les astrophysiciens, GOLF-NG figure déjà comme l’instrument indispensable à la compréhension des manifestations internes de l’activité solaire en région radiative. Il suivra d’abord l’activité solaire au sol mais a vocation, à terme, d’intégrer une future mission solaire spatiale. Un grand projet spatial a également été étudié avec l’industriel Thalès, pour les prochaines missions de l’ESA. Ce projet ambitionne l’observation globale et locale de l’activité solaire ainsi qu’une étude de la basse couronne. Surveiller la dynamique solaire à court et moyen terme (de l’ordre de la dizaine ou de la centaine d’années) et suivre son impact sur l’atmos phère terrestre, voilà le grand défi des prochaines décades. > Sylvaine Turck-Chièze Service d’astrophysique (SAp) Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu) Direction des sciences de la matière (DSM) Unité mixte de recherche astrophysique interactions multi-échelles (CEA-Université de Paris 7-CNRS) CEA Centre de Saclay (Orme des Merisiers) > Pierre-Henri Carton Service d'électronique des détecteurs et d'informatique (Sedi) Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu) Direction des sciences de la matière (DSM) CEA Centre de Saclay CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 133



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