Paris, 5 janvier 2014

Les conditions d'éruption d'un supervolcan recréées dans un laboratoire de rayons X

Des scientifiques ont reproduit les conditions de pression et de température régnant dans la chambre magmatique des supervolcans pour comprendre comment se déclenchent leurs explosions. Ces explosions, heureusement très rares, sont les catastrophes naturelles les plus dramatiques sur Terre, à l'exception des chutes de météorites géantes. Grâce aux rayons X du synchrotron européen (ESRF), les scientifiques ont établi que les éruptions des supervolcans peuvent se produire spontanément, par simple augmentation de la pression magmatique, sans besoin de cause externe. Ces travaux impliquent en France le Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement (CNRS / Université Lyon 1 / ENS Lyon) et l'ESRF (Synchrotron Européen) à Grenoble ainsi que l'université Polytechnique (ETH) de Zurich, l'Institut Paul Scherrer à Villingen (Suisse) et l'université Okayama (Japon). Ils sont publiés dans Nature Geoscience le 5 janvier 2014.
C'est une éruption de supervolcan, il y a 600 000 ans dans le Wyoming aux Etats-Unis, qui a créé le cratère gigantesque, appelé caldeira, au centre duquel se trouve aujourd'hui le Parc National de Yellowstone. Quand le volcan a explosé, il a éjecté plus de 1000 km3 de cendres et de lave dans l'atmosphère, 100 fois plus que l'éruption du Mt Pinatubo aux Philippines en 1992. Les grosses éruptions volcaniques ont un impact majeur sur le climat de la planète. L'éruption du Mt Pinatubo a fait décroître la température du globe de 0,4 degrés pendant plusieurs mois. Pour un supervolcan, la chute de température pourrait être de 10 degrés pendant 10 ans.

Selon un rapport de la Société géologique de Londres, en 2005, « même la science-fiction ne peut imaginer un mécanisme crédible qui permettrait d'éviter l'éruption d'un supervolcan. Nous devons cependant essayer de comprendre les mécanismes impliqués dans les super-éruptions et prédire la catastrophe suffisamment à l'avance pour que la société en soit avertie. La préparation est le seul moyen de limiter les effets désastreux d'une super-éruption. »

Les mécanismes qui provoquent les éruptions de supervolcans sont restés obscurs jusqu'à maintenant. Ils sont bien différents des phénomènes éruptifs observés dans les volcans conventionnels tels que le Mt Pinatubo. Un supervolcan possède une chambre magmatique beaucoup plus grande et il est toujours situé dans une zone où le flux thermique en provenance du centre de la Terre est très élevé. De ce fait, la chambre magmatique est beaucoup plus grande et chaude, mais aussi déformable : sa forme change en fonction de la pression au fur et à mesure qu'elle se remplit de magma chaud. Cette plasticité permet à la pression de se dissiper plus efficacement que dans un volcan normal, dont la chambre magmatique est plus rigide. C'est pour cette raison que les supervolcans n'explosent pas souvent.
D'où la question : qu'est-ce qui peut alors provoquer l'éruption d'un supervolcan ? Wim Malfait de l'ETH Zurich explique: « L'élément déclenchant est une pression additionnelle causée par les différences de densité entre la roche solide et le magma liquide. On pourrait comparer cela à un ballon de foot rempli d'air que l'on plonge dans l'eau et qui remonte à la surface car l'eau est plus dense tout autour. » Cette pression additionnelle est-elle suffisante pour causer des fissures de la croûte terrestre, suivie d'une éruption violente, ou faut-il une source d'énergie externe comme un tremblement de terre ? Tel était le sujet de cette recherche.

Comme il est impossible de percer un trou dans la chambre magmatique d'un supervolcan pour l'étudier directement, les scientifiques ont reproduit en laboratoire les conditions extrêmes de pression et de température au niveau du magma. «Les rayons X de l'ESRF peuvent être ensuite utilisés pour connaître l'état (liquide ou solide) de la matière et les changements de densité lorsque le magma cristallise sous forme de roche », dit Mohamed Mezouar, chercheur à l'ESRF et membre de l'équipe. Jean-Philippe Perrillat, chercheur au Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement (CNRS / Université Lyon 1 / ENS Lyon), ajoute : « Des températures de plus de 1700 degrés et des pressions jusqu'à 36 000 atmosphères peuvent être atteintes à l'intérieur d'une presse appelée Paris-Edimbourg, où de minuscules échantillons de roche sont placés entre les deux pointes d'une enclume en carbure de tungstène puis chauffés avec un four résistif. Cet appareillage a été utilisé pour déterminer très exactement la densité du magma liquide sur une large gamme de pressions et de températures. » Le magma contient souvent de l'eau qui, sous forme de vapeur, ajoute de la pression. Les scientifiques ont également établi les densités de magma en fonction du contenu en eau.

Les résultats de ces expériences ont montré que la pression résultant des différences de densité entre la roche solide et le magma liquide est suffisante pour fissurer la croûte terrestre sur une distance de 10 km de la chambre magmatique. Carmen Sanchez-Valle de l'ETH Zurich conclut : «  Notre recherche a montré que la pression est suffisante pour que la croûte terrestre se fissure et le magma pénètre dans la croûte, même en l'absence d'eau ou de bulles de dioxyde de carbone. En montant vers la surface, une expansion violente du magma connue pour être à l'origine des explosions volcaniques, peut se mettre en place.»

DOCUMENT            CNRS              LIEN

Paris, 24 octobre 2014

Un nouveau mode de diffusion de la lumière dans de minuscules fibres optiques

Des chercheurs de l'institut Femto-ST (CNRS/UFC/UTBM/ENSMM)1, en collaboration avec des collègues du Laboratoire Charles Fabry (CNRS/Institut d'Optique Graduate School) viennent de découvrir un nouveau mode de diffusion de la lumière dans de minuscules fibres optiques 50 fois plus fines qu'un cheveu ! Ce phénomène, qui varie selon l'environnement de la fibre, pourrait être exploité pour concevoir des capteurs innovants et ultra-sensibles. Ces travaux sont publiés le 24 octobre 2014 dans la revue Nature Communications.
Les microfibres optiques sont des fibres de verre effilées 50 fois plus fines qu'un cheveu, au diamètre proche voire inférieur au micromètre (un millième de millimètre). Pour produire ces minuscules objets, des chercheurs du Laboratoire Charles Fabry ont chauffé et étiré des fibres optiques utilisées pour les télécommunications et mesurant 125 micromètres de diamètre. La suite de l'étude s'est déroulée à l'institut Femto-ST, à Besançon. En injectant un faisceau laser dans ces fines mèches de verre, des chercheurs du CNRS ont observé, pour la première fois, un nouveau mode de diffusion Brillouin2 de la lumière, impliquant des ondes acoustiques3 de surface. Cette découverte a ensuite été confirmée par une simulation informatique, qui a permis de vérifier le mécanisme physique en jeu.

Comme le diamètre des fibres utilisées est inférieur à la longueur d'onde de la lumière utilisée (1,5 micromètre, dans l'infrarouge), celle-ci y est extrêmement confinée. Sur son trajet, la lumière fait vibrer de manière infime le matériau, déplaçant la matière de quelques nanomètres (ou millionièmes de millimètre). Cette déformation se manifeste par une onde acoustique qui se déplace à la surface de la fibre à 3 400 mètres par seconde, d'après les résultats des chercheurs. L'onde agit en retour sur la propagation de la lumière : une partie du rayonnement lumineux est renvoyée en sens inverse et avec une longueur d'onde différente.

Ce phénomène n'avait jamais été observé jusqu'ici, car il se produit uniquement lorsque la lumière est confinée dans une fibre plus fine que sa longueur d'onde. En effet, dans une fibre optique standard, la lumière se propage essentiellement dans le cœur de la fibre (d'un diamètre de 10 micromètres). Par conséquent, elle ne génère pas d'ondes de surface.

Comme elles se déplacent à la surface des microfibres, les ondes générées par le confinement de la lumière sont sensibles aux facteurs de l'environnement, tels que la température, la pression ou le gaz ambiant. Cela ouvre la voie à la conception de capteurs optiques4 très sensibles et très compacts pour l'industrie. Ces résultats contribuent également à approfondir nos connaissances sur les interactions fondamentales entre la lumière et le son, à l'échelle de l'infiniment petit.

DOCUMENT              CNRS              LIEN

Paris, 26 octobre 2014

Des colliers de nanoparticules d'or pour guider la lumière jusqu'au nanomètre

Des nanoparticules cristallines d'or alignées puis fusionnées en longues chaines peuvent servir à confiner l'énergie lumineuse à l'échelle nanométrique tout en permettant sa propagation à grande distance. C'est ce que vient de démontrer une équipe pluridisciplinaire du Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (CEMES, CNRS), en collaboration avec des physiciens de Singapour et des chimistes de Bristol. Ces travaux sont publiés en ligne sur le site de la revue Nature Materials le 26 octobre.
La lumière peut servir à transmettre des informations. Cette propriété est par exemple utilisée dans la fibre optique et offre une alternative intéressante à la microélectronique1. L'utilisation de la lumière permet d'augmenter la vitesse de transmission et de réduire les pertes d'énergie qui se produisent par réchauffement lorsqu'un signal électrique est utilisé. Cependant il reste plusieurs défis à relever, notamment celui de la miniaturisation : avec la fibre optique il est en effet difficile de confiner la lumière dans une largeur inférieure au micromètre (soit 10-6 mètres).
Les électrons circulent librement dans les métaux et parfois se mettent à osciller collectivement à leur surface sous l'effet de la lumière, comme dans les métaux nobles tels l'or et l'argent. Les propriétés de ces oscillations collectives, appelées plasmons, offrent depuis une vingtaine d'années une voie prometteuse vers un confinement sub-longueur d'onde (c'est-à-dire inférieur au micromètre) de l'énergie lumineuse. En transmettant cette énergie portée par les photons aux électrons en mouvement, il est possible de transporter de l'information dans des structures plus étroites que les fibres optiques. Pour atteindre des confinements encore plus importants, la plasmonique2 s'intéresse désormais aux propriétés optiques de nanoparticules cristallines. La surface cristalline lisse évite de perturber les oscillations des électrons et limite les pertes d'énergie. Exploiter les propriétés de ces nanoparticules devrait donc permettre simultanément des confinements de l'ordre du nanomètre et le transport de l'information sur de grandes distances.
Dans cette étude, les chercheurs ont démontré que lorsque des nanoparticules d'or de dix nanomètres de diamètre sont alignées sous forme de chaine, les plasmons qu'elles portent génèrent des oscillations particulières, propices à la propagation ultra-confinée. Cependant à chaque passage entre deux nanoparticules, il existe une perte d'énergie. Si cette caractéristique peut être exploitée pour certaines applications qui nécessitent des sources de chaleur très localisées, notamment en médecine, elle ne favorise pas la propagation longue distance.
Les chercheurs ont donc délicatement fusionné les nano-perles, en focalisant un faisceau électronique à haute énergie, de façon à former un réseau continu et cristallin. Ils ont alors observé que les pertes d'énergie sont réduites et que les plasmons sont libres d'osciller sur de très grandes distances tout en restant confinés suivant le diamètre des nanoparticules. Au sein de ce collier de seulement dix nanomètres de large, l'information peut voyager jusqu'à 4000 nanomètres.
Un autre défi relevé par cette étude a été de cartographier, avec une précision exceptionnelle, les oscillations des électrons observées à la surface de la chaine de nanoparticules. Les différents types de mouvement des plasmons ont été caractérisés par une technique de microscopie appelée spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS) dont la très fine résolution spatiale et spectrale a permis aux chercheurs de proposer un nouveau modèle théorique du comportement des plasmons. Les simulations basées sur ce modèle reproduisent les expériences avec une fidélité sans précédent.
Ces travaux qui résultent d'une collaboration à long terme avec des équipes de Bristol et de Singapour pourraient mener à une miniaturisation extrême du guidage de la lumière et ouvrir la voie vers des applications en matière de capteur, pour le photovoltaïque par exemple, et en télécommunication.

DOCUMENT           CNRS            LIEN

Paris, 30 octobre 2014

Voyage au coeur d'un système solaire triple en formation

Une équipe internationale d'astronomes, dont des chercheurs du LAB (CNRS/Université de Bordeaux), de l'IPAG (CNRS/Université Joseph Fourier Grenoble 1) et de l'IRAM (CNRS/MPG/IGN), a mené l'étude la plus précise à ce jour du cocon de gaz et de poussières du système GG Tau A. En combinant des observations complémentaires aux longueurs d'onde submillimétriques (ALMA et IRAM) et infrarouges (VLTI/ESO), les chercheurs ont pu mettre en évidence la dynamique complexe au sein de GG Tau. Ils ont ainsi détecté pour la première fois des mouvements de matière démontrant que des exoplanètes peuvent se former non seulement autour d'un des membres de ce trio d'étoiles jeunes, mais aussi à très grande distance dans le disque entourant ces trois soleils. Ce travail observationnel, publié le 30 octobre dans la revue Nature, révèle une histoire plus complexe qu'on ne l'imaginait.
Si les découvertes observationnelles récentes ont démontré l'existence de nombreuses planètes autour des étoiles doubles, leur formation se heurtait au problème des instabilités gravitationnelles engendrées par la nature binaire de ces astres. Les observations d'étoiles jeunes binaires sont encore trop rares pour fournir une image détaillée de ces processus. Jusqu'à très récemment, GG Tau A, située à près de 450 années-lumière de la Terre dans la constellation du Taureau, était connue comme une étoile binaire avec deux composantes Aa et Ab. Mais des mesures infrarouges récentes réalisées avec les instruments du VLT et du VLTI (ESO) ont révélé que GG Tau A est en fait un système stellaire triple1 : GG Tau Ab est elle-même une étoile binaire. L'étoile centrale Aa est suffisamment éloignée du couple Ab pour être entourée d'un disque circumstellaire, observé dès 2011 avec l'interféromètre de l'IRAM.

Autour de ce système stellaire triple, les chercheurs ont déjà mis en évidence un disque de gaz et de poussières en rotation, évidé en son centre par les effets de marée gravitationnels. En tournant les unes autour des autres, les trois étoiles créent en effet une zone gravitationnellement instable appelée cavité, où la matière ne peut que transiter avant de tomber sur les étoiles centrales. Plus loin, là où réside l'anneau externe de matière, le champ gravitationnel n'est plus perturbé et la matière en rotation peut s'organiser en une structure stable. L'existence d'une cavité centrale autour de GG Tau A, connue dès les années 1990 grâce aux observations de l'interféromètre de l'IRAM, confirmait en partie ces prédictions théoriques. Dans les années 2000, on a détecté la présence de gaz dans cette cavité, mais la dynamique précise de ce gaz, pierre essentielle à la compréhension des mécanismes d'accrétion donnant naissance aux planètes, restait largement méconnue.

Dans cette nouvelle étude, des observations du monoxyde de carbone (CO sous forme gazeuse) et de l'émission des grains de poussière autour de GG Tau A ont été obtenues de manière complémentaire avec les interféromètres ALMA (Chili) et IRAM (Alpes françaises). Elles ont permis de lever une partie du voile sur la répartition de la matière et sur la dynamique à l'intérieur de la cavité, avec une précision encore jamais atteinte dans ce domaine. Les images montrent en effet un filament de gaz provenant de l'anneau externe tombant vers les étoiles centrales. La quantité de gaz ainsi transportée se révèle suffisante pour alimenter le disque interne autour de GG Tau Aa. Les mouvements de gaz observés confirment ainsi les prédictions des simulations numériques antérieures. Ils démontrent que la matière provenant de l'anneau externe est capable de nourrir le disque interne autour de GG Tau Aa pendant assez longtemps pour éventuellement permettre la formation des exoplanètes.

Si ce résultat était attendu, le suivant l'était moins : les deux cartes de l'émission du CO révèlent une surbrillance remarquable sur le bord externe de l'anneau autour du système stellaire triple. Son étude détaillée montre qu'elle est deux fois plus chaude que le milieu environnant et qu'il pourrait s'agir de la signature d'une jeune exoplanète géante en cours de formation. Cette planète serait en train de creuser un fin sillon dans le disque externe, mais la détection d'une telle structure reste pour l'heure hors de portée des instruments. La mise en service prochainement des antennes NOEMA2 de l'IRAM sur le plateau de Bure sera, sans nul doute, un atout majeur pour en savoir plus sur GG Tau, un système de soleils jeunes qui n'a pas fini de livrer ses mystères.

DOCUMENT            CNRS             LIEN