Paris, 12 juin 2003

PREMIERE MESURE DIRECTE DU CHAMP MAGNETIQUE D'UNE ETOILE A NEUTRONS ISOLEE

L'instrument EPIC (European Photon Imaging Camera), embarqué à bord du satellite XMM-Newton de l'Agence Spatiale Européenne, a pour la première fois permis la mesure directe du champ magnétique à la surface d'une étoile à neutrons. Cette valeur est égale à environ quatre-vingt milliards de fois le champ magnétique moyen de notre Soleil. Ce résultat a été obtenu par une équipe franco-italienne du Centre d'Etude Spatiale des Rayonnements (CESR : unité mixte de recherche du CNRS, Université Paul Sabatier de Toulouse, Observatoire Midi-Pyrénées), du Consiglio Nazionale delle Ricerche de Milan et de l'Université de Pavie, qui le publie dans la revue Nature du 12 juin 2003.
Une étoile à neutrons est un des « monstres du ciel ». Elle provient de l'explosion d'une étoile massive, une supernova, dont une partie de l'étoile est éjectée dans l'espace, le reste s'effondrant pour former une étoile à neutrons en rotation très rapide. Il s'agit d'un astre condensé à tel point que, dans un rayon de 10 km, il contient une masse de l'ordre de celle de notre Soleil. Dans le centre d'une étoile à neutrons, la matière est dans un état hyper condensé et non reproductible sur Terre. Il s'agit d'un véritable laboratoire de physique extrême, grâce auquel nous avons l'opportunité de comprendre certains stades ultimes de l'évolution des étoiles qui peuplent notre Univers. En raison de la température de leur surface, de l'ordre de quelques millions de degrés, les étoiles à neutrons émettent dans le domaine des rayons X, d'où l'intérêt de les observer avec le satellite XMM-Newton qui détecte ce rayonnement de hautes énergies. Il s'agit d'une pierre angulaire du programme scientifique de l'ESA mise en orbite avec un lanceur Ariane 5 en décembre 1999. L'instrument principal à bord, EPIC (European Photon Imaging Camera), a aussi été conçu comme projet européen conjoint avec la participation importante du CNES, du Centre d'Etude Spatiale des Rayonnements (CNRS) et du CEA pour la France, le responsable scientifique étant Giovanni F. Bignami qui est l'actuel Directeur du CESR. En août 2002, le télescope a été pointé vers l'étoile à neutrons isolée 1E1207.4-5209 pendant 2 orbites complètes, soit l'observation la plus longue jamais faite par XMM sur un objet de notre Galaxie. Cet objet, très peu connu jusqu'à présent, a été choisi par l'équipe franco-italienne car de précédentes observations avaient fait apparaître trois larges raies en absorption, raies qui étaient inexpliquées. Les résultats de l'analyse de ces raies, conduite conjointement à Toulouse et à Milan, ont révélé des surprises. Les rayons X provenant de l'étoile montrent clairement la signature d'un champ magnétique extrêmement grand, qui bien que prévu théoriquement, n'avait jamais été observé directement sur une étoile à neutrons isolée. Les calculs indiqueraient une valeur de la force de ce champ magnétique d'environ 8 1010 gauss. (le champ magnétique global du Soleil est d'environ 1 gauss) Présentés lors d'un Workshop qui s'est tenu à l'Université de Columbia de New York, il y a quelques semaines, ces résultats ont été accueillis avec enthousiasme par la communauté américaine, qui avait pourtant essayé à maintes reprises, mais toujours en vain, d'obtenir les mêmes mesures. Avec cette première mesure du champ magnétique d'une étoile à neutrons isolée, les astronomes ont ainsi accès à une meilleure compréhension de la physique des extrêmes. A l'aide de telles mesures, ils pourront mieux comprendre la structure des étoiles à neutrons et notamment leurs surfaces.

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Paris, 27 avril 2009

La compréhension des explosions d'étoiles plus compliquée que prévu
Appelées novæ, les explosions d'étoiles mettent en œuvre des réactions nucléaires entre les atomes de l'étoile. Pour mieux comprendre ces phénomènes violents, les astrophysiciens étudient le rayonnement émis par certains types d'atomes, notamment le fluor-18 issu des réactions. Or, des chercheurs du Ganil (1) (CEA-CNRS ( 2)), en collaboration avec des équipes anglaises, belges, roumaines et françaises, viennent de déterminer que le fluor-18 serait moins abondant que prévu. Cette découverte réduit donc la chance d'observer le rayonnement émis par cet atome. Elle implique de nouvelles contraintes pour l'observation et la compréhension des novæ. Ces travaux viennent d'être publiés dans la revue Physical Review Letters.
Connues depuis l'antiquité, les novæ sont des explosions d'étoiles qui se produisent environ 20 fois par an dans notre galaxie. Les physiciens supposent aujourd'hui qu'elles se produisent dans des systèmes binaires d'étoiles, formés d'une étoile géante rouge et d'une étoile compagnon petite et chaude, la naine blanche. «De la matière est arrachée de la première étoile et tombe sur la surface de la seconde, décrit François de Oliveira Santos, physicien au Ganil. Cette matière stellaire s'accumule en surface de la seconde étoile, entraînant une augmentation de sa température et de sa densité. De nombreuses réactions nucléaires, c'est-à-dire la transformation d'un ou plusieurs noyaux atomiques en d'autres particules, interviennent alors : les noyaux d'atomes stables (carbone, oxygène, etc) de l'étoile sont transformés en noyaux radioactifs, tel le fluor-18.» C'est en observant le rayonnement émis par ces particules que les chercheurs espèrent mieux comprendre les processus physiques en œuvre au cours des novæ.

Le fluor-18 est un atome radioactif dont le noyau instable est déficient en neutrons par rapport à sa forme stable, le fluor-19. Lorsqu'il se désintègre, le fluor-18 émet un rayonnement électromagnétique spécifique que les astrophysiciens étudient pour mieux appréhender ce qui se passe à l'intérieur des novæ. «La quantité du rayonnement émis lors de l'explosion dépend de la quantité de fluor-18 présent, explique François de Oliveira Santos.» Pour la déterminer, les chercheurs ont tenté d'identifier toutes les réactions nucléaires responsables de la création et de la destruction du fluor-18. Ces réactions dépendent de la structure des noyaux, elles ont donc été étudiées grâce à des accélérateurs de particules.

Une expérience réalisée à l'Université de Louvain-la-Neuve en Belgique, dans le cadre d'une collaboration internationale, a permis aux scientifiques de recalculer à la baisse l'estimation de la quantité de fluor-18 présente dans les novae. Conclusion, les réactions nucléaires impliquant le fluor-18 dans ces explosions entraînent sa destruction au-delà de ce qui avait été précédemment estimé. « Notre résultat est en accord avec des travaux théoriques récents, souligne François de Oliveira Santos. Nous l'avons obtenu grâce à une nouvelle technique expérimentale utilisant des faisceaux de noyaux radioactifs accélérés. » Il apporte de nouvelles contraintes pour l'observation et la compréhension des explosions stellaires.

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Paris, 29 mai 2008

GLAST : un télescope spatial pour comprendre les phénomènes les plus violents de l'univers

La mission spatiale internationale GLAST (Gamma-Ray Large Area Space Telescope) dédiée à la détection des rayons gamma(1) de haute énergie sera lancée le 11 juin 2008 depuis Cap Canaveral en Floride. Ce télescope spatial permettra de lever le voile sur les nombreux mystères qui entourent les sources connues de rayons gamma, voir de découvrir de nouvelles classes de sources de rayons gamma. Cinq équipes françaises de l'IN2P3-CNRS, de l'INSU-CNRS et de l'IRFU/CEA contribuent à ce projet.
Les rayons gamma manifestent l’existence des phénomènes les plus extrêmes de notre Univers. Les objets célestes associés à ces phénomènes, mettant en jeu des quantités d’énergie inimaginables, sont le siège d’accélération de particules à très haute énergie. La liste de tels objets inclut les noyaux actifs de galaxie, les sursauts gammas(2), les vestiges de supernovae, les pulsars(3)… Les conditions physiques précises qui prévalent dans ces objets extraordinaires restent en grande partie à déterminer. Grâce à un gain en sensibilité d’un facteur 25 par rapport à la mission précédente, EGRET, GLAST devrait faire découvrir plusieurs milliers de sources de rayons gamma, décuplant ainsi le nombre de sources connues dans ce domaine. GLAST permettra d’étudier également en détail le rayonnement gamma diffus émis par les rayons cosmiques se propageant dans la Galaxie. La présence de matière noire sera aussi activement recherchée. Après une période d’un an, les données de GLAST seront mises à disposition de l’ensemble de la communauté scientifique internationale. La durée de vie prévue de la mission est de 5 ans, prolongeable à 10 ans.

Les rayons gamma étant absorbés par l’atmosphère, il est nécessaire de les détecter depuis l’espace, ce que fera le satellite GLAST à une altitude de 560 km. L’instrument principal, le LAT (Large Area Telescope), qui détectera les rayons gamma d’une énergie entre 30 MeV et 300 GeV explorera l’ensemble du ciel en trois heures grâce à son très grand champ de vue (20% du ciel à tout moment). De nombreuses sources de rayons gamma étant variables, cette surveillance continuelle du ciel permettra d’alerter la communauté scientifique en cas d’éruptions. Le LAT est principalement composé de trois éléments: un trajectographe permettant de mesurer la direction des rayons, un calorimètre pour mesurer leur énergie et un système permettant de différencier rayons gamma et particules chargées du rayonnement cosmique qui constituent un bruit de fond indésirable. La technologie et les méthodes d’analyse sont similaires à celles employées en physique des particules, les énergies des particules détectées étant comparables. Un instrument secondaire, le GBM (Glast Burst Monitor) est dédié à la détection de l’émission de basse énergie (8 keV-30 MeV) des sursauts gamma.

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Paris, 25 juin 2008

Antares scrute les fonds marins de tous ses yeux pour mieux comprendre l'Univers

La construction du premier télescope sous-marin à neutrinos jamais réalisé vient de s'achever. Depuis le début du mois de juin, les deux dernières lignes de détection d'Antares scrutent le fond de la Méditerranée à la recherche de neutrinos d'origine cosmique. Ce sont désormais 12 lignes de détection qui cherchent à capter ces particules élémentaires, témoins des phénomènes les plus violents de l'Univers. Cet événement récompense les efforts de la collaboration européenne(1) Antares, en particulier ceux du CEA-Irfu, de l'IN2P3-CNRS, de l'INSU-CNRS et de l'Ifremer, acteurs majeurs dans cette aventure.
De l’art d’attraper une particule «fantôme»

Le neutrino est une particule élémentaire sans charge électrique qui interagit très faiblement avec la matière : contrairement aux autres particules, ce « passe-muraille » est capable de traverser l’Univers en ligne droite sans être arrêté par la matière ou dévié par les champs magnétiques qu’il rencontre sur son passage. Il est ainsi un messager unique en son genre qui peut aider les astrophysiciens à observer et à mieux comprendre certains objets, sièges de phénomènes cataclysmiques. Le neutrino permet d’ouvrir une nouvelle fenêtre d’observation sur l’Univers… à condition toutefois d’être détecté, ce qui est loin d’être évident puisqu’il interagit très peu avec la matière. Le détecteur susceptible de repérer sa trace doit, par conséquent, être le plus grand possible afin d’accroître les chances de l’intercepter.

Le défi a été relevé en 1996 par des équipes du CEA et du CNRS et c’est ainsi que le projet Antares(2)  a vu le jour. Après une longue période d’étude des propriétés du milieu marin, une première ligne de détection souple de 400 mètres de haut a été immergée en février 2006 par 2500 mètres de profondeur au large de Toulon, grâce au savoir-faire et aux équipements de l’Ifremer. Aujourd’hui, ce sont 12 lignes qui sont ancrées aux fonds marins sur un espace équivalent à 4 terrains de football. Elles sont équipées de près de 900 modules optiques, les « yeux » du télescope, imaginés et construits par les équipes Antares. La moitié des lignes a été assemblée au Centre de physique des particules de Marseille (CNRS/Université de la Méditerranée), laboratoire support de l’expérience, l’autre moitié à l’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (CEA Irfu, Saclay).

Le détecteur Antares est protégé du bruit de fond que constitue le rayonnement cosmique par les 2000 mètres d’eau qui le recouvrent. Ces profondeurs abyssales permettent de bénéficier d’une obscurité totale, à peine troublée par quelques animaux bioluminescents. Le principe du télescope Antares est de faire de la Terre elle-même la cible des neutrinos. Le globe terrestre laisse passer les neutrinos mais arrête les autres particules. Certains de ces neutrinos, en traversant la Terre, vont entrer en collision avec le noyau d’un atome. Cette rencontre, statistiquement très rare, produit un muon, une particule chargée voisine de l’électron, qui se déplace dans la même direction que le neutrino d’origine. Ce muon peut parcourir jusqu’à une dizaine de kilomètres dans la croûte terrestre. En émergeant dans l’eau, il laisse derrière lui un sillage très faiblement lumineux. C’est ce sillage ascendant laissé par le muon que détectent les « yeux » d’Antares. Ainsi, c’est le ciel de l’hémisphère Sud qui est observé au travers de la Terre. Cette portion de ciel inclut le centre galactique, siège de phénomènes extrêmement violents.



Le neutrino : une nouvelle fenêtre ouverte sur l’Univers

En traquant les neutrinos cosmiques, le télescope Antares cherche à faire progresser l’astronomie de haute énergie. Ces dernières décennies en effet, les astronomes ont découvert de nombreuses sources de photons de très haute énergie (galaxies abritant des trous noirs super massifs, restes de supernovae, émetteurs de sursauts gamma…). Ces photons pourraient être issus de l’interaction de protons ultra-énergétiques, qui pourraient constituer le rayonnement cosmique qui bombarde la Terre. Ces réactions nucléaires produiraient également des neutrinos cosmiques. Pour observer ces phénomènes cataclysmiques, les physiciens des astroparticules ne peuvent s’appuyer sur la détection des photons et des protons car, à très haute énergie, ces particules peuvent être arrêtées par la matière, ce qui rend leur observation dans l’Univers lointain difficile. Les neutrinos de haute énergie, qui traversent l’Univers en ligne droite, sont en revanche des témoins directs de ces phénomènes extrêmement violents. Leur détection par Antares devrait apporter aux astrophysiciens un éclairage unique sur ces phénomènes et dessiner petit à petit une nouvelle carte du ciel.

L’observation des neutrinos de plus basse énergie, issus de l’accumulation de matière noire au centre du Soleil ou de la Galaxie, est un autre sujet d’étude pour Antares. Depuis 70 ans, la masse manquante de l’Univers (95% de sa masse totale) est une des questions centrales de la cosmologie. Une partie de cette masse manquante pourrait être constituée de particules élémentaires massives appelées wimps (weakly interacting massive particle). La théorie physique dite de la « supersymétrie » en prédit l’existence et prédit également que ces particules s’accumuleraient au centre d’objets massifs comme la Terre ou le Soleil. Les wimps sont à la fois particules et antiparticules. En s’accumulant elles finiraient par s’annihiler en produisant une bouffée d’énergie et de particules, dont des neutrinos de basse énergie.

Antares constitue également une infrastructure scientifique sous-marine permanente et multidisciplinaire, déjà équipée d’instruments, certains regroupés sur une treizième ligne spécifique : sismographes, mesures de la température, de la concentration en oxygène, caméra à l’affut de la faune abyssale… Ils permettront d’apporter des éléments de réponse aux questions posées par d’autres domaines scientifiques comme l’océanographie ou la climatologie, en association avec des laboratoires de l’INSU (COM, GeoAzur).

Bien que le détecteur soit tout juste déployé en totalité, grâce aux données enregistrées avec les lignes déjà installées, les physiciens ont déjà identifié plusieurs centaines de neutrinos issus de l’interaction du rayonnement cosmique dans l’atmosphère aux antipodes du détecteur. Parmi ceux-là pourraient se cacher quelques neutrinos issus d’une source située aux confins de l’Univers. Seule l’accumulation des données permettra de les débusquer. Le neutrino est si difficile à capturer que les physiciens travaillent déjà à un détecteur beaucoup plus grand, de taille kilométrique qui ouvrira en grand cette nouvelle fenêtre d’observation sur l’Univers.

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