Communiqué de presse
Jeudi, 3 Janvier 2013

Pour la première fois, des astronomes utilisant le grand réseau d’antennes millimétrique/submillimétrique ALMA1 ont pu observer un moment clé de la naissance des planètes géantes. D’importants écoulements de gaz se déversant à travers un espace vide dans le disque de matière qui entoure une jeune étoile. Il s’agit des premières observations directes de tels écoulements, que l’on suppose être engendrés par l’alimentation en gaz des planètes géantes au cours de leur croissance. Le résultat de ces observations est publié dans l’édition de la revue Nature du 2 janvier 2013.

Une équipe internationale d'astronomes a étudié la jeune étoile HD 142527, située à plus de 450 années-lumière de la Terre. HD 142527 est entourée d'un disque de gaz et de poussière cosmique, restes du nuage à partir duquel cette étoile c'est formée. Le disque de poussière est divisé en une partie interne et une partie externe séparées par un espace vide que l'on suppose avoir été creusé par des planètes géantes gazeuses récemment formées, nettoyant leurs orbites au cours de leur révolution autour de l'étoile. Le disque interne s'étend de l'étoile jusqu'à une distance correspondant à l'orbite de Saturne dans le système solaire alors que le disque externe commence environ 14 fois plus loin. Le disque externe n'entoure pas l'étoile de manière uniforme, mais il a plutôt une forme de fer à cheval, probablement à cause de l'effet gravitationnel des planètes géantes en orbite.

Selon la théorie, les planètes géantes grossissent en absorbant le gaz du disque externe par des écoulements qui forment des ponts au travers de l'espace vide du disque.

« Les astronomes avaient prédit l'existence de ces écoulements, mais c'est la première fois que nous avons pu les observer » explique Simon Casassus (Universidad de Chile, Chili), responsable de cette nouvelle étude. « Grâce au nouveau télescope ALMA, nous avons été capables de réaliser des observations directes confirmant les théories en vigueur sur la formation des planètes ! »

Casassus et son équipe ont utilisé ALMA pour regarder le gaz et la poussière cosmique autour de l'étoile, l'observant de manière plus détaillée et à plus grande proximité de l'étoile que ce n'était possible avec les précédents télescopes de ce type. Les observations d'ALMA, dans les longueurs d'onde submillimétriques sont également insensibles à la lumière éblouissante de l'étoile qui pose problème aux télescopes observant dans le visible ou l'infrarouge. L'espace vide dans le disque de poussière était déjà connu, mais ils ont également découvert du gaz diffus subsistant dans cet espace, et deux écoulements plus denses de gaz se déversant du disque externe vers le disque interne en traversant cet espace.

« Nous pensons qu'il y a une planète géante cachée là et qu'elle est la cause de ces deux écoulements. Les planètes grossissent en absorbant le gaz du disque externe, mais elles mangent vraiment comme des sagouins : le reste du gaz déborde et alimente le disque interne autour de l'étoile » précise Sebastián Pérez, un membre de l'équipe qui fait aussi partie de l'Universidad de Chile.

Ces observations permettent également de répondre à une autre question à propos du disque qui entoure HD 142527. L'étoile centrale étant encore en formationet absorbant de la matière dans le disque interne, ce dernier aurait déjà dû être englouti s'il n'était pas réalimenté d'une manière ou d'une autre. L'équipe a découvert que la vitesse à laquelle le reste de gaz s'écoule dans le disque interne est juste ce qu'il faut pour le maintenir rempli et pour alimenter l'étoile en train de grossir.

La détection du gaz diffus dans le trou constitue également une « première ». « Les astronomes ont observé ce gaz depuis longtemps, mais jusqu'à présent, nous n'avions que des signes indirects de son existence. Maintenant, avec ALMA, nous pouvons le voir directement, » explique Gerrit van der Plas, un autre membre de l'équipe de l'Universidad de Chile.

Ce gaz résiduel est plus une preuve que les écoulements sont causés par les planètes géantes plutôt que par des objets encore plus gros comme une étoile compagne. « Une seconde étoile aurait bien plus nettoyé cet espace vide, ne laissant aucun gaz résiduel. En étudiant la quantité de gaz restant, nous devrions pouvoir déterminer la masse des objets faisant le ménage » ajoute Sebastián Pérez.

Et, qu'en est-il des planètes elles-mêmes ? Simon Casassus explique que, bien que l'équipe ne les ait pas détectées directement, il n'est pas étonné. « Nous avons cherché les planètes avec des instruments infrarouges à la pointe de la technologie sur d'autres télescopes. Toutefois, nous supposons que ces planètes en formation sont toujours profondément enfouies dans les écoulements de gaz, qui sont presque opaques. Par conséquent, il n'y a que peu de chance de repérer ces planètes directement. »

Cependant, les astronomes cherchent à en savoir plus sur ces supposées planètes en étudiant les écoulements de gaz ainsi que le gaz diffus. Le télescope ALMA est toujours en construction et n'a pas encore atteint ses pleines capacités. Quand il sera terminé, sa vision sera encore plus fine et de nouvelles observations des écoulements devraient permettre à cette équipe de déterminer les propriétés des planètes, y compris leur masse.
Parmi les signataires de cette publication, François Ménard (CNRS) est un spécialiste de la modélisation des disques et des observations infrarouge et millimétrique. Il est directeur adjoint du Laboratoire Franco-Chilien d'Astronomie (LFCA), une Unité mixte internationale du CNRS et de l’Université du Chili, dont l'objectif est le développement de l'exploitation d’ALMA.

A LA CONQUÊTE SPATIALE DES ASTÉROÏDES ET DES COMÈTES

Conférence donnée à l'IAP le 8 novembre 2011, par Patrick Michel, astrophysicien et responsable du Groupe de Planétologie de l'Observatoire de la Côte d'Azur
La conférence fera un état des lieux de nos connaissances actuelles sur les petits corps du Système Solaire (astéroïdes et comètes) obtenues grâce aux missions spatiales qui leur ont rendu visite ou les ont survolé et aux développements théoriques/numériques permettant d'explorer et de comprendre les différents processus que ces corps subissent durant leurs évolutions (impacts, vibrations, fragmentation). Des images et films réels sublimes de ces petits corps fascinants, tous différents les uns des autres, seront montrés ainsi que les films de simulations numériques de collisions et d'évolution de leur surface soumise à différents processus, permettant d'interpréter les caractéristiques observées sur les images des missions spatiales. L'histoire de la mission japonaise Hayabusa qui a récolté un échantillon de l'astéroïde Itokawa en 2010 sera relatée, en présentant les différentes étapes de cette mission, les nombreuses difficultés auxquelles les scientifiques et ingénieurs ont dû faire face, et les résultats qu'elle a apporté, notamment concernant l'analyse des échantillons sur Terre. L'astéroïde Itokawa mesure 320 mètres de diamètre environ ; c'est le plus petit corps auquel une sonde a rendu visite. Nous irons ensuite rendre visite avec la sonde européenne Rosetta à l'astéroïde Lutétia qu'elle a survolé en juillet 2010. Lutétia mesure 100 kilomètres de diamètre ; c'est le plus gros corps auquel une sonde a rendu visite avant l'arrivée de la sonde américaine Dawn vers Vesta, le deuxième plus gros astéroïde, de 530 km de diamètre environ, en juillet 2011, dont les dernières images seront montrées. Enfin les missions spatiales de retour d'échantillons de petits corps en cours et en projet, comme MarcoPolo-R, une mission de retour d'échantillon d'un astéroïde double primitif que nous avons proposé à l'Agence Spatiale Européenne et qui a été sélectionnée en février 2011 pour la phase d'étude de faisabilité, ainsi qu'Hayabusa 2 (JAXA) et OSIRIS-Rex (NASA) lancées en 2014 et 2016, seront brièvement décrites. L'aventure continue, avec comme toujours, de grandes surprises à venir, tant ces petits corps défient notre compréhension.

VIDEO CANAL U LIEN

(si la video n'est pas accéssible,tapez le titre dans le moteur de recherche de CANAL U.)

Tout lunivers dans un atome  Gerardus t Hooft

Dans cet exposé, je vais expliquer que lunivers gigantesque dans lequel nous vivons abrite un nombre incroyable de minuscules univers : les atomes. Ils présentent une structure extrêmement riche qui a permis aux physiciens dexercer leur sagacité durant tout le siècle précédent. Le sujet de cet exposé est cet univers microscopique que lon trouve à lintérieur des atomes mais il est intimement relié à lunivers macroscopique qui nous est rendu plus familier par les images des médias comme celle de la conquête spatiale.
Au début nexistait quun point, et rien dautre que ce point. Il y a plus de 13 milliards dannées, ce point explosa, marquant le début de lunivers tout entier. Depuis ce moment, lunivers est régi par les lois de la physique. Lors de ses premiers instants, il évolua extrêmement rapidement. Des choses complexes arrivèrent alors, que lon comprend difficilement.
La première lumière de lunivers, que lon observe maintenant, est apparue 380 000 ans après cette explosion. Ce nest quun milliard dannées plus tard que lunivers commence à ressembler à ce quil est aujourdhui : un univers constitué détoiles, situées à lintérieur de galaxies séloignant les unes des autres.
Deux choses remarquables caractérisent lunivers. La première, cest quil est presque vide : il existe de grands espaces désertiques entre les étoiles et les galaxies, de telle sorte quen moyenne, lunivers présente une densité de quelques atomes seulement par kilomètre cube. La deuxième, cest que tous les objets de lunivers obéissent aux lois de la physique de manière extrêmement précise. Des expériences de toutes sortes, ainsi que des calculs complexes établissent une chose qui nétait pas évidente a priori : les lois de la physique semblent partout les mêmes, peu importe la direction dans laquelle on observe lunivers. Lune de ces lois est celle de la gravitation. Cest elle qui fait que les planètes décrivent autour du soleil des ellipses presque parfaites. Elle implique également que les planètes accélèrent à proximité du soleil et décélèrent quand elles sen éloignent. Il sagit dune loi parmi dautres mais dont les effets sont clairement visibles.
Lunivers compte un nombre démesurément grand datomes et dans ces mondes minuscules que sont les atomes, on trouve des objets, les électrons, qui se déplacent selon des lois physiques ressemblant beaucoup à celles régissant le mouvement des planètes autour du soleil. Les électrons tournent autour dun objet central que lon appelle le noyau atomique. Latome constitue ainsi un univers à lui tout seul, mais avec des dimensions minuscules.
La structure de latome
Dire quun atome peut être assimilé à un système planétaire serait en fait mentir. Latome est gouverné par des lois beaucoup plus complexes, celles de la mécanique quantique. Celle-ci dit quen moyenne, les électrons se déplacent selon des orbites elliptiques ; mais cela en moyenne seulement. Leur mouvement est en fait aléatoire, il semble incontrôlé. Autour dun noyau, certaines régions sont dépeuplées délectrons alors que dautres en fourmillent. Ce sont les lois de la mécanique quantique qui permettent de faire la distinction entre ces régions.
Latome possède une autre caractéristique qui le rapproche de lunivers : il est quasiment vide. En effet, le noyau atomique est environ 100 000 fois plus petit que les orbites des électrons, ce qui rend latome beaucoup plus vide en réalité quun système planétaire. Cest ce noyau, dont lunité de taille est le Fermi, 10-15 m, qui est la partie la plus intéressante et la plus complexe de latome.
Il y a plusieurs décennies, les physiciens découvrirent que le noyau atomique est constitué de deux sortes dobjets : les protons et les neutrons. Les premiers sont électriquement chargés alors que les seconds sont neutres, mais hormis cette différence, ces deux objets sont similaires. Ce qui a été découvert plus récemment dans lhistoire de la physique des particules est quils sont tous les deux constitués de trois sous-unités appelées quarks. Ces derniers obéissent à des lois très particulières qui seront évoquées plus loin.
Il y a 35 ans lexistence des quarks était à peine vérifiée. On ne comprenait pas leur comportement, ni pourquoi protons et neutrons étaient constitués de trois dentre eux. Toutes les particules observées à lépoque étaient cependant regroupées en plusieurs classes, de la même façon quen biologie les espèces danimaux et de plantes sont classées en familles. Il existait une distinction entre les leptons, particules insensibles à ce qui fut appelé plus tard la force forte, et les hadrons, qui y étaient sensibles et avaient donc un comportement totalement différent. Les hadrons furent ensuite séparés entre mésons et baryons. Enfin, il existait une troisième sorte de particules, les photons, qui avec leur comportement radicalement différent des autres, constituaient une famille à eux seuls.
Les leptons, dont on connaissait deux représentants à lépoque, électrons et muons, peuvent être chargés électriquement, le plus souvent de manière négative, ou bien être neutres : on les appelle alors neutrinos. De manière générale, les particules sont caractérisées par leur charge électrique ainsi que par leur spin, propriété liée à leur rotation. Elles sont également accompagnées de leurs « contraires », si lon peut dire, leurs antiparticules. Il existe ainsi des antileptons et des antibaryons. Les mésons, eux, sont identiques à leurs antiparticules.
Beaucoup de questions émergent de cette classification : Comment peut-on expliquer le comportement de toutes ces particules ? Comment peut-on les décrire ? Enfin, comment sagencent-elles pour former les atomes ? Pour répondre à ces questions, il a été nécessaire de les étudier.
Les outils pour étudier la structure de latome
Pour étudier les atomes, il a été nécessaire de construire de très grandes machines, les accélérateurs de particules. Lun deux est situé à la frontière de la Suisse et de la France, près de Genève. Sil nétait pas situé sous terre, parfois à cent mètres de profondeur, dun avion on pourrait constater quil a la forme dun cercle de 26 km de circonférence. Il sagit dun circuit que des particules parcourent chacune dans un sens opposé pour se heurter de plein fouet. Les investigations des physiciens concernent ce qui se déroule lors de telles collisions. Cette machine appelée LEP, pour Large Electron-Positron Collider, a été démontée il y a quelques années pour être remplacée par une autre machine, le LHC, acronyme pour Large Hadron Collider. La première a intensivement étudié les leptons, comme lélectron et son antiparticule, alors que la nouvelle génération daccélérateurs étudiera les hadrons. Les physiciens doivent cependant attendre encore plusieurs années avant de recevoir les premiers résultats du LHC, prévus en 2007.
La photographie (fig.1) représente un des nombreux détecteurs de particules utilisés dans les accélérateurs. Comparés à la taille dun homme, ces objets sont particulièrement grands. Ceci est une source de questionnement pour les néophytes : pourquoi nutilise-t-on pas de petits détecteurs pour étudier des particules si minuscules ? Ny gagnerait-on pas en résolution ? Il se trouve que non. Pour bien voir de petits objets, il faut de grosses machines. Par exemple, on pourrait penser que les insectes, avec leurs petits yeux, se voient très bien. Cest tout le contraire. Nous voyons beaucoup mieux les insectes quils ne se voient eux-mêmes, car nos yeux sont beaucoup plus gros que les leurs. Cest pour cela que les insectes ont des antennes, comblant ainsi leur déficit sensoriel. Ainsi, former des images de minuscules particules nécessite dénormes appareils. Les physiciens, qui cherchent à sonder la matière le plus profondément possible, doivent par conséquent construire les machines les plus imposantes qui soient& tout en respectant un certain budget.

figure 1

Les forces dinteractions et les particules de Yang-Mills
Revenons encore trente cinq ans en arrière. A cette époque, il fallait comprendre leurs interactions pour pouvoir décrire les particules & Quelles soient déviées, crées ou annihilées, les physiciens ont réuni tous ces phénomènes dans le concept de force. Ils ont ainsi découvert que trois sortes de forces totalement différentes agissaient sur les noyaux atomiques. Lune delles est assez familière, il sagit de lélectromagnétisme. Cest la force qui est utilisée de manière prédominante dans les microphones et les télévisions. Les uns utilisent la force électromagnétique pour amplifier la voix, les autres pour créer une image sur lécran. De manière plus simple, on peut voir leffet de cette force quand un aimant se déplace à proximité dun autre aimant, ou dun objet en fer. Ou bien même quand on se coiffe par temps sec et que les cheveux sélectrisent. Il existe également deux autres forces actives dans le domaine des particules élémentaires : la force forte et la force faible. On connaissait peu de leurs propriétés il y a 35 ans, et par bien des aspects, elles restaient énigmatiques : comment affectent-elles le comportement des particules ?
Il est très difficile de répondre à cette question. On savait quelles devaient obéir à la fois à la théorie de la relativité dEinstein et aux lois de la mécanique quantique. Mais ces lois sont complexes, et il est très difficile de les réconcilier pour que les mouvements observés des particules respectent ces deux théories fondamentales. Ce nest quen 1954 quune avancée fut effectuée. Deux physiciens américains, Robert-Mills, étudiant à lépoque et Chen Ning Yang, futur prix Nobel, proposèrent ensemble une façon de décrire les particules subatomiques. Leur réflexion fut la suivante : certaines forces de la nature sont déjà connues, les forces électromagnétiques ; peut-on imaginer une nouvelle force, quelque chose de plus général que lélectricité et le magnétisme, quon pourrait décrire avec des équations similaires et qui serait cohérente avec les connaissances acquises par ailleurs en physique ? Ils trouvèrent une réponse à cette question mais ils se rendirent compte très tôt quelle était probablement erronée. Beaucoup de physiciens avaient eu des idées similaires mais les avaient rejetées car ils ne leur trouvaient aucun sens. Peut-être navaient-t-elles aucun sens mais elles étaient tellement belles quils publièrent néanmoins leurs travaux, malgré les critiques de leurs pairs, laissant aux autres le soin de sinquiéter du fait quelles naient rien de réel.
Quont-ils donc inventé qui allait devenir si important, seulement quelques décennies plus tard ? Yang et Mills imaginèrent quil existait un autre champ, ressemblant beaucoup aux champs électriques et magnétiques, mais qui en serait également différent par certains aspects : une particule évoluant dans un tel champ changerait didentité. Au passage, rappelons que lidentité est une caractéristique essentielle des particules : la modifier a dénormes conséquences sur leur comportement. Un champ électromagnétique naltère pas cette identité, mais Yang et Mills imaginèrent quune particule puisse transmuter en une autre quand elle traverserait le champ quils ont décrit. Un proton, par exemple, deviendrait neutron. Le point fondamental est que deux particules initialement identiques pourraient ainsi devenir différentes.