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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6 Dans les secrets de l’Univers CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 Entre Kourou et Gap Entre-temps, la France a développé son programme de fusées Véronique. Les astrophysiciens ne laissent pas passer l’occasion. En 1967, l’équipe de Robert Rocchia embarque les détecteurs déjà développés par le CEA pour l’étude de la radioactivité. Terrible déception : la tentative échoue car les portes de la fusée ne se sont pas ouvertes. Ce ne sera que partie remise et le succès arrive, tel un cadeau de Noël, le 23 décembre 1968, depuis la nouvelle base spatiale de Kourou (Guyane), tout juste quelques mois après son inauguration. Les résultats de l’expérience s’avèrent probants : pendant les 200 secondes que dure l’observation, environ 25 000 rayons X sont enregistrés en provenance d’un des plus puissants pulsars de la galaxie. Les astrophysiciens du CEA viennent d’établir que les pulsars émettent des rayons X de haute énergie – une première. Ils n’en resteront pas là puisque, l’année suivante, ils tentent un nouveau défi : utiliser un tout nouveau détecteur dédié aux rayons gamma en provenance de pulsars. Cet instrument complexe a été mis au point par Bruno Parlier, Bernard Agrinier et Yves Koechlin, du CEA, en collaboration avec Giuseppe Occhialini, célèbre physicien de l’université de Milan. En fait, il s’agit d’une chambre à étincelles, autrement dit une enceinte à vide sous tension contenant un empilement de plaques de plombcapables de stopper les rayons gamma puis de les désintégrer en particules chargées produisant des traces d’étincelles. Pour reconstituer la direction du rayon gamma, ces traces sont photographiées grâce à une caméra de film 16 mm. Cette fois, l’opération se déroule à Gap (Hautes-Alpes). Un ballon emporte le détecteur à 40 000 mètres d’altitude. Les résultats sont une nouvelle fois au rendez-vous des chercheurs du CEA qui démontrent, les premiers, que les pulsars émettent aussi des rayons gamma dans l’Univers. Du ballon au satellite La poursuite des recherches suppose alors de vaincre une limitation essentielle : la durée de vie trop courte des ballons et des fusées. Pour cela, il faut pouvoir Ensemble de fusée Skylark pour la détection des sources célestes de rayons X (1972). CEA Première détection des rayons X de haute énergie des pulsars : tête de fusée française Véronique portant les détecteurs de rayons X (décembre 1968). disposer de satellites scientifiques et accéder ainsi durablement à l’espace. L’Europe devra attendre 1972 pour disposer d’un tel satellite, TD-1. Les astrophysiciens du CEA exploitent cette première opportunité qui leur est offerte en plaçant trois de leurs instruments sur le satellite qui tournera en orbite jusqu’en 1974. Parmi eux, S-133, une toute nouvelle chambre à étincelles de 40 kg, munie cette fois d’une caméra électronique de télévision baptisée VIDICON. Mal - heu reu sement, ce vol sera un échec, la proximité d’autres instruments ayant induit un formidable bruit de fond de particules parasites et noyé l’expérience sous de fausses détections. Cet apprentissage profitera au satellite Cos-B, lancé en août 1975, avec une chambre à étincelles de 114 kg, fruit d’une large collaboration européenne. Avec une longévité affichée de sept ans, ce projet volera la vedette à son concurrent américain, SAS-II, programmé pour seulement six mois, mais aussi en raison d’un résultat scientifique majeur : l’obtention de la première image complète de la galaxie en rayons gamma. L’exploration du domaine des hautes énergies X et gamma se poursuivra jusqu’à aujourd’hui grâce à l’implication du CEA dans les missions SIGMA/Granat (1989), XMM-Newton (1999) et INTEGRAL (2002). Désormais, la vision des astrophysiciens s’ouvre sur des milliers de sources témoignant de cet Univers violent où les températures se chiffrent en millions de degrés. En revanche, du côté du rayonnement infrarouge, les obstacles ne se laisseront pas vaincre facilement : d’abord, l’atmosphère reste un écran à franchir et ensuite, la technologie des détecteurs, issue du domaine militaire, ne suit pas toujours les besoins des CEA
chercheurs. L’implication du CEA vers ce nouveau domaine résultera d’une circonstance fortuite, à savoir le retard pris par les collaborations internationales sur les hautes énergies à la suite d’un double événement : l’accident de la navette américaine Challenger, en 1986, et la disparition de l’ex-URSS, en 1991. En attendant la grande symphonie du cosmos… L’Europe décide alors de relever le défi avec son projet de satellite ISO (pour Infrared Space Observatory), conçu pour embarquer la première caméra infrarouge dans l’espace. Il faut dire que le satellite astronomique américain IRAS (pour Infrared Astronomical Satellite), lancé en 1983 pour six mois, n’avait donné qu’un premier aperçu du ciel infrarouge. Pourtant, aucun laboratoire européen ne semble en mesure de construire la caméra d’ISO. Seules deux unités du CEA, le SAp et le Laboratoire d’électronique de technologies de l’information (Leti) peuvent s’engager à fournir les détecteurs de l’instrument et assurer leur intégration dans un ensemble optique complexe pesant moins de 10 kg. Sous l’impulsion de Catherine Cesarsky, ISOCAM (la caméra d’ISO) rejoint l’espace, en 1995, pour trois ans. Avec sa batterie de détecteurs semiconducteurs de seulement 32 x 32 pixels, cette caméra réalisera une mosaïque d’images révélant tout le détail des nébuleuses de gaz et de poussières où naissent les étoiles. Elle n’est surpassée aujourd’hui que par le récent satellite Spitzer. Aujourd’hui, dans le vaste arc-en-ciel de l’invisible, un seul domaine demeure encore inexploré : celui de l’infrarouge lointain, proche des ondes radio. Pour relever ce nouveau défi de l’observation de ce rayonnement de très faible énergie, il faut repousser encore plus loin les limites actuelles de la technologie. La caméra du futur est équipée de détecteurs spécifiques, appelés bolomètres. Le défi consiste à éviter qu’elle ne se fasse aveugler par son environnement. Pour y parvenir, les astrophysiciens doivent obtenir leur refroidissement jusqu’à quelques millidegrés au-dessus du zéro absolu. Certaines de ces caméras fonctionnent déjà depuis le sol à partir d’étroites fenêtres atmosphériques laissant passer une partie de ce rayonnement. Mais la première grande exploration se fait désormais depuis l’espace grâce au satellite Herschel de l’Agence spatiale européenne (ESA) lancé avec succès le 14 mai 2009. À son bord, il emporte PACS (pour Photoconductor Array Camera and Spectrometer), caméra dotée de la plus grande matrice de bolomètres jamais construite, un succès majeur pour le CEA. Comme toutes les vraies Caméra ISOCAM pour l’infrarouge (novembre 1995). CEA avancées scientifiques, comme tous les succès techniques, PACS incite pourtant à la modestie si l’on compare la taille de cette caméra et ses 2 048 éléments d’image, avec celle des grandes caméras astronomiques dédiées à l’observation de la lumière visible dotées, elles, de centaines de millions d’éléments d’image. Dans beaucoup de domaines encore, les « lu - nettes » des chercheurs dépassent à peine celle de Galilée. L’exploration spatiale de l’invisible a toujours dû s’adapter au rythme des innovations technologiques : chaque fois, des outils spécifiques durent être inventés et surtout portés au-delà de l’atmosphère. Ainsi, petit à petit, la part inconnue de l’Univers se réduit inexorablement. Pendant longtemps, les astrophysiciens ont donc été dans la position d’un mélomane qui n’entendrait que le son d’un seul instrument dans l’interprétation d’un ensemble musical mais qui, progressivement, élargirait sa perception à l’ensemble de l’orchestre. Aujourd’hui, le vœu des scientifiques serait de pouvoir enfin écouter l’ensemble de la grande symphonie du cosmos. > Jean-Marc Bonnet-Bidaud 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 Paris 7-CNRS). CEA Centre de Saclay (Orme des Merisiers) Première chambre à étincelles satellisée : expérience S 133 embarquée à bord du satellite européen TD-1 (mars 1972). Rayonnements cosmiques : les dates clés de leur découverte Il ne faut pas se fier aux couleurs que nous donne à voir l’arc-en-ciel car il ne s’agit que d’une infime fraction de la palette des couleurs existantes. Notre œil humain ne peut les percevoir étant uniquement adapté à la lumière de notre étoile, le Soleil. C’est donc grâce aux travaux en laboratoire que d’autres rayonnements ont pu être découverts, étape par étape, par les chercheurs : • 1800 : Le physicien William Herschel, s’aidant d’un simple prisme et de thermomètres, parvient à démontrer qu’en-deçà « du rouge » existe un autre rayonnement capable de chauffer le thermomètre : l’infrarouge. Il s’agit de la première avancée véritablement significative.• 1800 : Procédant à une expérience similaire, Wilhem Ritter découvre qu’audelà « du violet » un rayonnement s’avère capable de noircir le papier d’argent : c’est l’ultraviolet.• 1810 à 1864 : James Maxwellunifie l’électricité et le magnétisme, ce qui lui permet d’avancer que la lumière visible n’est que le cas particulier d’un phénomène plus général : les ondes électromagnétiques.• 1895 : Wilhelm Röntgen découvre que les décharges électriques dans les tubes à vide produisent des rayons encore inconnus (qu’il baptise donc rayons X) capables de traverser le verre.• 1896 : Henri Becquerel découvre la radioactivité naturelle : de l’intérieur des noyaux d’atomes d’uranium émanent des rayonnements inconnus qui impressionnent les plaques photographiques.• 1898 : Pierre et Marie Curie découvrent d’autres matériaux « radioactifs » (le polonium, le thorium, le radium), lesquels émettent des rayonnements baptisés rayons alpha et bêta (en réalité des particules).• 1900 : Paul Villard découvre un rayonnement radioactif capable de traverser le plomb : le rayonnement gamma. Pour la plupart, ces rayonnements sont arrêtés à différentes altitudes de l’atmosphère. L’astrophysique spatiale permet seule de les capter et donc de les étudier. Aujourd’hui, cette discipline fête tout juste ces 50 ans. CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 7 CEA



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