Paris, 18 octobre 2012

Les filaments cosmiques représentent la moitié de la masse de l'Univers
Une équipe internationale d'astronomes dirigée par Mathilde Jauzac, du Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (CNRS/Aix-Marseille Université), a réalisé la première étude en trois dimensions d'un filament cosmique de matière sombre. En utilisant des données du télescope spatial Hubble1, elle a pu découvrir que ce filament, inclus dans la toile cosmique, nourrit l'un des amas de galaxies les plus massifs de l'Univers et s'étend sur plus de 60 millions d'années-lumière. En extrapolant la très grande masse mesurée de ce filament à l'ensemble de la « toile cosmique », cette étude permet d'estimer que ces structures devraient contenir plus de la moitié de la masse totale de notre Univers. Ce résultat est publié en ligne sur MNRAS.
La théorie du Big Bang prédit que les fluctuations de matière aux premiers instants de notre Univers sont responsables de la condensation de la majorité de la matière et que celle-ci se concentre en un enchevêtrement de filaments. Cette hypothèse a été validée par les simulations numériques : elles suggèrent que notre Univers est structuré en une « toile cosmique » de filaments à l'intersection desquels se situent des amas de galaxies très massifs. Ces filaments, très étendus et très diffus, sont principalement constitués de matière sombre2.

Alors qu'un filament a été identifié pour la première fois en juillet 20123, une équipe internationale, comprenant des chercheurs français du LAM et du Centre de recherche astrophysique de Lyon (CNRS/ENS Lyon/Université Lyon 1), vient à son tour d'analyser un autre filament cosmique, mais cette fois en trois dimensions : une prouesse d'autant plus remarquable que ces filaments sont extrêmement étendus et très diffus, ce qui les rend très difficiles à détecter. Cette innovation a permis de déterminer la densité volumique du filament et de le comparer aux simulations.

Pour cela, l'équipe a combiné des images haute-résolution de l'amas de galaxies MACSJ0717 et du champ voisin provenant du télescope spatial Hubble, avec des images provenant des télescopes au sol Subaru (NAO) et Canada-France-Hawaii (CFHT), puis avec des données spectroscopiques des galaxies de l'amas provenant des observatoires Keck et Gemini.

Cette technique a notamment permis à l'équipe de localiser des milliers de galaxies au sein du filament, et de mesurer le déplacement de la plupart d'entre elles. C'est en combinant les positions et les vitesses de toutes ces galaxies que les astronomes ont pu révéler la forme du filament en trois dimensions, ainsi que son orientation : il s'étend sur près de 60 millions d'années-lumière de long derrière MACSJ0717, quasiment aligné avec notre ligne de visée. Il s'agit donc d'une structure exceptionnelle, même aux échelles astronomiques : si la masse mesurée peut être considérée comme représentative des filaments proches d'amas géants, alors les filaments cosmiques devraient contenir plus de la moitié de la masse de notre Univers, bien plus que ne le prévoyaient les théoriciens.

Le futur télescope spatial, le NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope4, sera un outil puissant et essentiel pour détecter ces filaments cosmiques, grâce à sa très haute résolution.

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Paris, 8 mars 2012

Première mesure de l'énergie minimum nécessaire pour inscrire un bit informatique
Dans un ordinateur, l'écriture ou l'effacement d'un bit d'information nécessite forcément de dépenser une énergie dont la plus petite valeur possible est donnée par le principe de Landauer. Cette importante prédiction physique qui fait le lien entre la théorie de l'information et la thermodynamique vient pour la première fois d'être vérifiée expérimentalement par des chercheurs du Laboratoire de physique de l'Ecole normale supérieure de Lyon (CNRS/ENS de Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1), en collaboration avec un groupe allemand de l'Université de Augsburg. Leurs travaux sont publiés dans la revue Nature du 8 mars 2012.
Peut-on imaginer mettre au point un ordinateur parfait capable d'effectuer des opérations logiques sans consommer aucune énergie ? A cette question, Rolf Landauer a répondu non en 1961. Le physicien américain avait en effet remarqué qu'à chaque fois qu'un bit d'information est créé, la mémoire binaire de l'ordinateur se voit réduite à un seul de ses deux états possibles. Faisant le lien avec la thermodynamique, Landauer a proposé que cette diminution du désordre exige pour être réalisée une quantité minimale d'énergie dont la valeur est aujourd'hui connue sous le nom de limite de Landauer (1). Vérifiée par des simulations numériques, cette énergie extrêmement faible (un milliard de fois plus petite que l'énergie nécessaire pour réchauffer d'un degré un micron cube d'eau) n'avait encore jamais été mesurée expérimentalement.
Dans l'expérience des chercheurs, c'est une bille en silice de 2 microns qui a joué le rôle du bit d'information. Plongée dans un liquide, la particule a été immobilisée par le faisceau extrêmement focalisé d'un laser, un instrument appelé ''pince optique'' couramment utilisé par les physiciens ou les biologistes. Pour leur expérience qui exige une très grande précision, les chercheurs ont conçu et construit eux-mêmes le dispositif de manière à le rendre totalement stable et insensible aux perturbations extérieures. Un deuxième piège optique identique a ensuite été focalisé juste à côté du premier. La bille microscopique peut ainsi occuper indifféremment deux positions possibles, tout comme un bit d'information peut prendre la valeur 0 ou 1. Les chercheurs ont ensuite créé un petit écoulement dans le liquide, de la droite vers la gauche, obligeant la particule à finir sa course dans le piège de gauche. Comme si on imposait au bit de prendre la valeur 1 par exemple. 
Répété un très grand nombre de fois, ce cycle a été filmé par une caméra rapide à plus de 1 000 images par seconde. Connaissant avec précision la position de la particule, la vitesse d'écoulement du fluide ainsi que sa viscosité, les chercheurs ont pu ainsi mesurer l'énergie moyenne nécessaire pour faire passer la bille du piège de droite vers le piège de gauche. Et ils ont alors remarqué que pour des vitesses d'écoulement très lentes, cette énergie était minimale et correspondait précisément à la limite de Landauer.
Si en informatique, le résultat n'offre pas de perspectives immédiates, nos ordinateurs étant encore très loin de fonctionner à la limite de Landauer, les nanotechnologies en revanche pourraient en bénéficier dans un futur proche. L'énergie dépensée par un système nanométrique est en effet comparable à celle mesurée par les chercheurs. Un paramètre important à prendre en compte si l'on veut mettre au point des machines miniatures capables de travailler avec une grande efficacité.

23 mai 2007

Ondes gravitationnelles : Virgo entre dans sa phase d'exploitation scientifique
Le 18 mai 2007, l'interféromètre Virgo a débuté sa première phase d'exploitation scientifique. Il s'agit d'une étape cruciale dans la traque aux ondes gravitationnelles. Virgo, le plus grand détecteur européen (franco-italien), vient rejoindre les détecteurs LIGO, aux États-Unis. Ce réseau ultraperformant d'instruments d'observation aura notamment la capacité d'observer la coalescence (1) de trous noirs binaires dans des galaxies éloignées et de fournir des informations sur la direction de la source. Le fonctionnement de Virgo est assuré conjointement par le CNRS et l'Institut national de physique nucléaire italien (INFN).
Les ondes gravitationnelles, prédites par la théorie de la relativité générale, sont des déformations de l'espace temps. Elles sont produites par des phénomènes astrophysiques violents dans notre galaxie et bien au-delà. Par exemple, les explosions de supernovae ou la coalescence de deux corps compacts, tels les trous noirs ou les étoiles à neutrons. Aujourd'hui, seules des preuves indirectes de l'émission d'ondes gravitationnelles ont été observées (récompensée par le prix Nobel de physique en 1993). La première observation directe ouvrira le champ de l'astronomie gravitationnelle et permettra d'approfondir notre compréhension de la gravitation et de la relativité générale.
Avec la première phase d'exploitation scientifique de Virgo, qui a commencé le 18 mai 2007, c'est désormais chose possible. Virgo fonctionne de jour comme de nuit, constamment à l'écoute des signaux gravitationnels provenant de l'Univers proche (jusqu'à l'amas de galaxies Virgo, d'où son nom). Une équipe d'opérateurs et de scientifiques exploite et surveille l'instrument 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. Les signaux sont détectés, enregistrés et font l'objet d'une première analyse à l'aide d'un système informatique en ligne. Ces données sont ensuite mises à la disposition de la communauté scientifique pour une étude ultérieure plus avancée.
Le détecteur d'ondes gravitationnelles Virgo est essentiellement un interféromètre laser de Michelson constitué de deux bras orthogonaux de trois kilomètres de longueur. La lumière voyage plusieurs fois entre deux miroirs situés aux bouts de chaque bras, avant de se combiner avec la lumière en provenance de l'autre bras pour interférer. Les ondes gravitationnelles devraient se manifester par des dilatations et des contractions de la distance entre les miroirs de chaque bras (et par un changement de l'interférence), de l'ordre d'un milliardième du diamètre d'un atome (10-18 mètre). Pour déceler des changements si infimes, le détecteur fait appel aux technologies les plus avancées, dans les domaines de la métallurgie, de l'optique, des systèmes de contrôle, du vide, de l'informatique, de l'analyse de données etc. Les laboratoires du CNRS d'Annecy, Lyon, Nice, Orsay et Paris (2) sont fortement impliqués dans Virgo et dans le consortium EGO (cofinancé par le CNRS et l'INFN), qui abrite et assure le fonctionnement de Virgo.

Les équipes de VIRGO se sont alliées aux scientifiques de LIGO aux Etats-Unis et de GEO au Royaume-Uni et en Allemagne, afin de rechercher en commun les ondes gravitationnelles. Les données combinées augmenteront les chances de trouver les premières ondes gravitationnelles et fourniront davantage d'informations sur la position de la source. L'analyse commune des données se fera comme si elles provenaient d'un détecteur unique constitué de plusieurs sondes réparties sur les deux rives de l'Atlantique et sur la côte est du Pacifique.

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Paris, 3 janvier 2013

Un immense disque de galaxies naines autour de la galaxie d'Andromède
La galaxie d'Andromède, la galaxie géante la plus proche de nous, est entourée d'un disque formé par une multitude de petites galaxies naines. Cette structure, extrêmement aplatie, s'étend sur plus d'un million d'années-lumière et semble tourner autour de la galaxie. Elle vient d'être découverte par une équipe internationale à laquelle appartiennent Rodrigo Ibata, de l'Observatoire astronomique de Strasbourg (CNRS/Université de Strasbourg)… et son fils, un lycéen âgé de quinze ans. Leur publication est en couverture de la revue Nature du 3 janvier 2013.
La présence de nombreuses galaxies naines autour de grandes galaxies, comme celle d'Andromède ou notre propre Voie Lactée, est connue depuis longtemps : il s'agirait des restes de galaxies plus vastes peu à peu dévorées par leur encombrantes voisines, et que les astronomes imaginaient indépendantes les unes des autres. Cette étude révèle qu'en fait, autour de la galaxie d'Andromède, la majorité d'entre elles sont organisées en une gigantesque structure aplatie de plus d'un million d'années-lumière de long, en rotation sur elle-même.

Cette découverte a été réalisée grâce au relevé PAndAS (Pan-Andromeda Archaeological Survey1), effectué par une équipe internationale entre 2008 et 2011, avec le télescope Canada-France-Hawaï (CFHT) mais aussi le télescope américain Keck. Ce relevé leur a permis de découvrir et de caractériser un très grand nombre de nouvelles galaxies naines autour d'Andromède. Pour cela, les chercheurs ont utilisé une nouvelle technique qui consiste à étudier de façon simultanée la brillance et la position des étoiles dans les galaxies naines, ainsi que des modèles de distribution de luminosité des étoiles dans ces galaxies.

La découverte met à mal les différentes théories de formation de galaxies, car celles-ci prévoient que les galaxies grandissent par accumulation de matière noire venant de galaxies naines accrétés de directions aléatoires.

Fait rarissime, l'un des signataires de la publication de Nature est âgé de… quinze ans ! Signataire principal de la publication, Rodrigo Ibata avait fait venir son fils Neil à l'Observatoire astronomique de Strasbourg, où il travaille, pour un stage sur le langage de programmation Python, utilisé pour les modélisations de cette étude. Neil a alors travaillé sur le projet de son père et c'est lui, le premier, qui a mis en évidence la rotation du disque de galaxies naines.

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