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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Paris, 13 février 2012
Découverte d'îlots de gaz froid dans notre Galaxie
Grâce à l'instrument HFI de la mission Planck de l'ESA, une équipe internationale comprenant de nombreux chercheurs du CNRS, du CEA et d'universités françaises, vient de révéler que notre Galaxie contient des îlots de gaz froid jusque-là inconnus. Ce résultat sera présenté cette semaine lors d'une conférence internationale à Bologne (Italie) où des scientifiques du monde entier discuteront ensemble des résultats intermédiaires de la mission Planck.
Les nuages froids présents dans les galaxies, en particulier dans notre Voie Lactée, constituent des "réservoirs" à partir desquels se forment les étoiles. Ils se composent essentiellement de molécules d'hydrogène, et dans une moindre mesure de monoxyde de carbone.
Les molécules d'hydrogène sont cependant difficiles à détecter car elles émettent peu de rayonnement. Bien que beaucoup moins abondant, le monoxyde de carbone se forme dans des conditions similaires et émet, à l'inverse, facilement de la lumière. C'est pour cette raison que les astronomes l'utilisent comme traceur pour cartographier les nuages d'hydrogène. "Il se trouve que Planck est un excellent détecteur de monoxyde de carbone sur l'ensemble du ciel" indique Jonathan Aumont, chercheur à l'Institut d'astrophysique spatiale  (Université Paris-Sud/CNRS) à Orsay.
Une équipe internationale, dont de nombreux chercheurs du CNRS, du CEA et d'universités françaises, a donc souhaité utiliser l'instrument HFI de la mission Planck de l'ESA pour dresser la première carte complète de la distribution du monoxyde de carbone dans notre Galaxie. "Planck balaye systématiquement l'ensemble du ciel, ce qui nous a permis de détecter des concentrations de gaz moléculaire là où on ne les attendait pas" précise Jonathan Aumont. Un avantage d'autant plus précieux que les télescopes radio demandent beaucoup de temps et sont donc souvent focalisés sur les portions du ciel où l'on soupçonne déjà l'existence de ces nuages moléculaires.

Ce résultat sera présenté cette semaine lors d'une conférence internationale à Bologne (Italie), où des scientifiques du monde entier discutent ensemble des résultats intermédiaires de la mission, dont la découverte également d'un mystérieux "voile micro-ondes" dans la Voie Lactée. Pour Jan Tauber, responsable scientifique de Planck à l'ESA, "les résultats obtenus, à ce stade de la mission, sur le voile galactique et sur la distribution du monoxyde de carbone nous donnent un point de vue inédit sur certains processus physiques à l'œuvre dans notre Galaxie".

La participation française à la mission Planck

La mission Planck voit une très forte participation des laboratoires du CNRS, des universités et du CEA (voir détail ci-dessous), qui ont travaillé dans le cadre du consortium HFI, instrument français dont Jean-Loup Puget, de l'IAS, est le responsable scientifique tandis que François Bouchet, de l'Institut d'astrophysique de Paris (UPMC/CNRS), coordonne l'analyse scientifique des données.

Ces équipes, soutenues par le CNES, l'agence spatiale française, ont joué un rôle de premier plan dans l'analyse des données de Planck, la construction de la première édition du catalogue de sources Planck et les premiers résultats astrophysiques publiés en janvier 2011, ceux à venir dans les prochains mois et la préparation des résultats cosmologiques qui seront présentés en 2013. Le CNES a accompagné très tôt le projet Planck par des études de recherche et développement, en coordonnant les efforts des équipes des laboratoires du CNRS, du CEA, et de l'industrie (Thales Alenia Space, Air Liquide). Son implication se poursuit par son support aux équipes scientifiques impliquées dans l'exploitation des données scientifiques.

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