Magazine Observatoire de Paris n°2 jun/jui/aoû 2005
Magazine Observatoire de Paris n°2 jun/jui/aoû 2005
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°2 de jun/jui/aoû 2005

  • Périodicité : trimestriel

  • Editeur : Observatoire de Paris

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 24

  • Taille du fichier PDF : 2,7 Mo

  • Dans ce numéro : l'optique adaptative avec Falcon et Sésame.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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GYROMÈTRE À ATOMES FROIDS : une première mondiale. Les atomes, préparés dans une enceinte à vide, sont lancés dans la partie supérieure. Ils y interfèrent. Observatoire de Paris/SYRTE COLD ATOM GYROMETER : a world first. Atoms that have been prepared in a vacuum are thrown into theupper part, where they interfere. Contact : Arnaud LANDRAGIN SYRTE +33 (0) 1 40 51 23 92 arnaud.landragin@obspm.fr L'INTERFÉROMÈTRE ATOMIQUE : Les atomes sont lancés en vol balistique. Des faisceaux lasers séparent, puis recombinent les ondes de matière. Observatoire de Paris/SYRTE ATOMIC INTERFEROMETER : Atoms are thrown into a ballistic flight. Laser beams separate and then recombine the matter waves. LA RÉVOLUTION DES ATOMES FROIDS ET DES SENSEURS INERTIELS THE COLD ATOM AND INERTIAL SENSOR REVOLUTION On refroidit aujourd'hui les atomes jusqu'à des températures inédites d'un millionième de degré. Les experts en métrologie du laboratoire Systèmes de Référence Temps-Espace - SYRTE s'en saisissent afin de concevoir de nouveaux capteurs inertiels absolus : gyromètres, accéléromètres et gravimètres. Nowadays, atoms are cooled to unheard-of temperatures of one millionth of a degree. Metrology experts at the Time-Space Reference Systems (SYRTE) laboratory use these cold atoms to design new absolute inertial sensors : gyrometers, accelerometers, and gravimeters. La révolution des « atomes froids » a éclaté en 1997 lors de l'attribution du prix Nobel de physique à Claude Cohen-Tannoudji, du Collège de France. La récompense, partagée avec deux Américains, couronnait le « développement de méthodes pour piéger et refroidir les atomes avec de la lumière laser ». Il s'en est suivi des records de basses températures : un millionième, puis dix milliardièmes de degré. En fait, l'avancée avait commencé dès 1986 par le concept de « mélasse optique » afin de ralentir puis figer la matière. Tout repose sur l'interaction avec la lumière. « Les atomes d'un gaz tel que l'air sont animés de mouvements désordonnés à la vitesse de 1000 kilomètres par heure - la vitesse du son », explique Arnaud Landragin du SYRTE, dont la thèse de doctorat a été dirigée par Alain Aspect à l'Institut d'Optique d'Orsay (Essonne). « Désormais, les vitesses résiduelles se réduisent à un centimètre par seconde ». Les atomes s'immobilisent presque. Haro sur les ondes de matière Ainsi est née l'optique atomique. Selon l'idée de base énoncée en 1924 par Louis de Broglie, tout corpuscule consiste en une… onde. La lumière est constituée de photons élémentaires. Il devient possible de faire interférer des atomes. C'est ce que les chercheurs du SYRTE réalisent dans des expériences de 100 kilos bardées d'électronique, de champs magnétiques et d'un banc laser. Un nuage d'un million d'atomes et de la taille d'un pois est soumis aux feux croisés de six faisceaux lasers accordés légèrement en deçà d'une résonance. Si un atome s'éloigne, il est freiné par le rayonnement (équivalent à 100 000 fois la pesanteur terrestre). Celui-ci agit comme un fluide visqueux. Ensuite, les atomes sont insérés dans l'interféromètre afin de constituer des horloges atomiques ou des senseurs inertiels puissants. « Avec son expertise, l'Observatoire de Paris était fondé à participer à l'expérience Pharao. Elle sera embarquée sur la station spatiale internationale vers 2009 », précise Arnaud Landragin. D'autre part, ces horloges micro-onde seront à la base de la constellation de satellites européens de navigation Galileo. « Enfin, les ondes de matière ouvrent la voie à de nouveaux capteurs absolus - gyromètres, gravimètres et accéléromètres - très prometteurs en métrologie. » La Délégation Générale pour l'Armement et la Sagem s'y intéressent afin de piloter les sous-marins. Le Laboratoire national d'essais de Trappes et l'Institut de Physique du Globe souhaitent bénéficier de mesures précises de la pesanteur. Les débouchés les plus significatifs viendront peut-être de tests physiques fondamentaux : mesures de la constante de structure fine atomique, test du principe d'équivalence des masses et de la relativité d'Einstein dans l'espace, ou recherche d'écarts à la loi de Newton sur la gravitation universelle. En attendant, le premier gyromètre à atomes froids du monde, lui, prend forme. À l'Observatoire de Paris. The « cold atom » revolution began in 1997 with the award of the Nobel Prize in physics to Claude Cohen-Tannoudji, from the Collège de France. This reward, which he shared with two Americans, crowned the « development of methods to cool and trap atoms with laser light ». Record low temperatures followed : one millionth and later ten billionths of a degree. In fact, progress had already begun in 1986 with the notion of « optical molasses » to slow down and then freeze matter. All this is based on interaction with light. « Atoms in a gas such as air move in a disorderly fashion with a speed of 1,000 kilometers per hourthe speed of sound », explains Arnaud Landragin from SYRTE, whose doctoral dissertation was supervised by Alain Aspect at the Optics Institute in Orsay (Essone district). « Presently, residual speeds are down to one centimeter per second ». Atoms are almost still. Focus on matter waves It was the birth of atomic optics. According to the basic idea formulated by Louis de Broglie in 1924, every particle is… a wave. Light is madeup of elementary photons. Interference between atoms then becomes possible. And this is precisely what researchers from SYRTE do in 100-kilogram experiments using electronics, magnetic fields and a laser bench. A one-million-atom cloud the size of a pea is subject to a crossfire from six laser beams tuned slightly below resonance. If an atom moves away, it is stopped by the radiation (equivalent to 100,000 times the Earth's gravity) that acts like a viscous fluid. The atoms are then inserted into the interferometer to be used as atomic clocks or powerful inertial sensors. « In view of its expertise, the Observatoire de Paris was justly chosen to participate in the Pharao experiment, to take place on the international space station around 2009 », adds Arnaud Landragin. Also, these microwave clocks will be a basic component of Europe's global navigation satellite system Galileo. « And finally, matter waves pave the way for new absolute sensors : gyrometers, gravimeters, and accelerometersall very promising in metrology. » The General Weapon Delegation and the Sagem are interested in such devices to navigate submarines. The National Testing Laboratory at Trappes and the Earth Physics Institute wish to benefit from the accurate measurement of gravity. The most significant applications may likely involve fundamental physical tests : measuring the fine-structure constant, testing the principle of mass equivalence and Einstein's relativity in space, and searching for deviations from Newton's universal law of gravitation. In the meantime, the first cold atom gyrometer in the world is taking shapeat the Observatoire de Paris.
MAGAZINE DE L’OBSERVATOIRE DE PARIS N°2/ACTUALITÉS DES LABORATOIRES - 11 CHOCS EN LABORATOIRE : L'EXPÉRIMENTATION EN ASTROPHYSIQUE SHOCKS IN THE LABORATORY : EXPERIMENTS IN ASTROPHYSICS Reproduire en laboratoire quelques-uns des phénomènes les plus violents de l'Univers, tel est le défi relevé par l'équipe « Astrophysique et Grands Lasers » du Laboratoire de l'Univers et de ses Théories - LUTH, qui étudie des chocs radiatifs créés en utilisant des lasers de très haute puissance. To reproduce in the laboratory some of the most violent phenomena in the Universe : such is the challenge takenup by the « Astrophysics and Large Lasers » team from the Universe and its Theories Laboratory (LUTH) presently studying radiative shocks that are produced using high-power lasers. Explosions de Supernovae, pulsations d'étoiles évoluées, étoiles en formation… L'Univers est régulièrement le siège d'épisodes violents, sources de chocs radiatifs. Un choc radiatif est caractérisé par un intense flux de rayonnement qui le précède. La zone comprimée par le choc s'échauffe en effet et produit des photons qui ionisent le milieu précédant le choc. Ce mécanisme est ainsi à l'origine un précurseur radiatif. S'il est difficile de modéliser les chocs radiatifs en raison même du fort couplage entre l'hydrodynamique et le rayonnement, présentant des aspects hors équilibre, leur étude fournit une aide précieuse pour la compréhension de phénomènes astrophysiques violents qui sont observés avec de plus en plus de précision angulaire et spectrale (figure 1). Il est donc très important de développer les outils numériques nécessaires pour leur modélisation et de les contraindre par des expériences en laboratoire. Lasers de haute puissance Mais comment produire un choc radiatif en laboratoire ? On utilise 1 un laser très puissant, comme le laser nano-seconde du LULI 2 de l'École Polytechnique. Ce laser, en interagissant avec la face arrière d'une cible conçue EXEMPLE DE MINI TUBE À CHOCS UTILISÉ. Observatoire de Paris/LUTH -C. M. par l'Observatoire de Paris à cet effet, provoque le choc à étudier. Le choc se propage dans un mini tube à choc de dimensions de l'ordre du mm 3 rempli de xénon à une pression de l'ordre de 0.1 bar. Le tube à choc, en quartz, est fermé à l'une de ses extrémités par un piston spécialement conçu pour lancer le choc. Il est constitué de trois couches de matériaux différents : une feuille de polyéthylène de 2 microns d'épaisseur, dont l'ablation fait effet de piston, une mince couche de titane qui bloque les rayons X créés par cette phase d'ablation, et une couche de plastique qui est violemment accélérée quand le choc la traverse. À la sortie de cette troisième couche, le choc se propage à une vitesse d'environ 70 km/s, engendrant un précurseur radiatif. Les premiers résultats expérimentaux obtenus confirment la propagation d'un choc radiatif dans le xénon. Les ordres de grandeurs obtenus expérimentalement sont en bon accord avec les simulations existantes pour le front de choc ; en revanche, la vitesse mesurée du précurseur radiatif, de l'ordre de 140 km/s est inférieure à celle obtenue numériquement. Des travaux de modélisation complémentaires et de nouvelles expériences devraient permettre d'affiner ces résultats et d'expliquer ces écarts. Un champ d'investigation très vaste est donc désormais ouvert. En permettant d'accéder en laboratoire à des conditions de plus en plus proches des objets naturels, la prochaine génération de lasers, tel le Laser Mégajoule (LMJ) en construction au Centre d'Études Scientifiques et Techniques d'Aquitaine du CEA, devrait constituer une étape marquante pour les astrophysiciens. Supernovae explosions, evolved star pulsations, stars being formed… The Universe is constantly the theatre of violent events at the origin of radiative shocks. A radiative shock is characterized by an intense radiation flux that precedes it. The region compressed by the shock heatsup and produces photons that ionize the milieu prior to the shock. This mechanism is also the source of a radiative precursor. While these radiative shocks are difficult to model due to the strong coupling between hydrodynamics and radiation, which exhibits some unstable features, their study provides precious clues for the understanding of violent astrophysical phenomena that are observed with increasing angular and spectral precision (fig. 1). It is therefore important to develop suitable numerical tools to model them and to harness them through experiments in the laboratory. AN EX AMPLE OF THE MINI-TUBE used to produce the shocks. High-power lasers How is it possible to produce a radiative shock in the laboratory ? A high-power laser is used 1, such as the nanosecond laser at the École Polytechnique's LULI 2 laboratory. As this laser interacts with the rear face of a target designed by the Observatoire de Paris for this purpose, it generates the shock to be studied.The shock propagates inside a mini-tube whose size is of the order of a few mm 3, filled with xenon at a pressure of approximately 0.1 bar. The shock tube, made of quartz, is closed at one end by a piston specially designed to launch the shock. It is composed of three layers of different materials : a 2-micron thick polyethylene sheet, whose ablation produces the piston effect, a thin layer of titanium to block the X-rays created in the ablation phase, and a plastic layer that is violently accelerated as the shock traverses it. As it leaves this third layer, the shock propagates with a speed of 70 km/s and generates a radiative precursor. The first experimental results confirmthe propagation of a radiative shock in xenon. The orders of magnitude obtained are fairly consistent with the existing simulations of the shock front, but the radiative precursor actual speed, of some 140 km/h, is smaller than the one obtained numerically. Further modeling and new experiments should allow the team to refine those results and explain the discrepancies. A vast research field thus opensup. By permitting the creation in the laboratory of conditions that resemble more and more closely those of objects found in nature, the new generation of lasers, such as the Mega Joule (LMJ) under construction at the CEA's Center for Technical and Scientific Studies in Aquitaine, should be a landmark for astrophysicists. LE NUAGE MOLÉCULAIRE D'ORION (fig. 1a) est une région du ciel très active en formation d'étoiles. Des jets énergétiques provenant d'étoiles massives et jeunes interagissent avec le milieu ambiant. Ils sont à l'origine de nombreux chocs d'étrave ou de « boules de feu » (fig. 1b). La structure des chocs, résolue dans l'infrarouge, correspond à une épaisseur d'environ 40 UA 1 pour une vitesse de propagation de 30 km/s en deçà des chocs étudiés au LUTH. Mais ceci montre que la qualité des observations actuelles sur le VLT et le VLTI rend nécessaire une modélisation précise de ces chocs. Observatoire de Paris/LUTH THE ORION MOLECULAR CLOUD (figure 1a) is a region of the sky very active in star formation. Energy jets from massive young stars interact with the surrounding medium. They are at the origin of many stem shocks or « fireballs » (figure 1b). The structure of the shocks, resolved in the infrared, corresponds to a thickness of about 40 UA 1 for a propagation speed 30 km/s lower than that of the shocks studied at LUTH. But this shows the need for a precise modeling of those shocks, given the quality of the current observations on the VLT and the VLTI. 1) 40ua = 40 fois la distance Terre Soleil ou environ 6 milliards de km. 40ua = 40 times the distance from the Earth to the Sunsome 6 billion km. Contacts : Claire MICHAUT LUTH + 33 (0)1 45 07 74 27 claire.michaut@obspm.fr Chantal STEHLÉ LUTH + 33 (0)1 45 07 74 16 chantal.stehle@obspm.fr (1) Cette activité est menée en collaboration avec le LULI, le Commissariat à l'Énergie Atomique - CEA/DIF, le CEA/DAP- NIA/SAP et le CNRS. This activity is carried out in collaboration with the LULI, the Atomic Energy Commission CEA/DIF, CEA/DAPNIA/SAP, and CNRS. (2) Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses - LULI



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