A Genève, on traque les poussières d’étoiles
Elles viennent du soleil ou du fond de l’espace. Les astroparticules, minuscules graines de matière bourrées d’énergie, renseignent les scientifiques sur l’origine et le devenir de l’univers. Deux détecteurs - l’un international, l’autre chinois - les traquent directement en orbite terrestre. Genève a participé à la conception de ces engins et analyse une partie des données qu’ils fournissent.
Le premier se nomme AMS-02 et tourne depuis cinq ans et demi sur la Station spatiale internationale (ISSLien externe), une collaboration entre Américains, Russes, Européens, Japonais et Canadiens. Le second, baptisé PolarLien externe, a décollé le mois dernier avec la station spatiale chinoise Tiangong 2Lien externe.
Objectif: détecter et analyser les particules, émises principalement par les étoiles, qui circulent en permanence dans l’espace à des vitesses folles. C’est un peu le principe des détecteurs du CERNLien externe (laboratoire européen de physique des particules), sauf qu’ici, on ne crée pas des particules par accélération / collision, mais on récolte celles que la nature nous donne. AMS et Polar doivent d’ailleurs beaucoup au CERN, mais aussi au Département de physique nucléaire et corpusculaire (DPNCLien externe) de l’Université de Genève.
Pour les spécialistes, mais pas que…
AMSLien externe tout d’abord. Conçu par le Prix Nobel de physique Samuel TingLien externe, c’est un super-aimant, fait de 6000 pièces d’alliage métallique collées ensemble. Percé en son centre, il forme une sorte de gros donut d’un mètre 10 de diamètre sur 80 centimètres de haut, qui sépare les particules selon leur charge électrique avant de les faire passer à travers une série de détecteurs pour en identifier les propriétés.
AMS doit être capable de capter des protons, voire des atomes d’antimatière, et de mettre les physiciens sur la piste de la très mystérieuse matière noireLien externe, dont les liens avec l’antimatière font encore débat. En cinq ans et bientôt 100 milliards de particules détectées toutefois, il n’a encore été à l’origine d’aucune découverte majeure. Ses résultats ont surtout servi à affiner les modèles théoriques des physiciens, pour les amener à se creuser encore davantage la tête.
16 ans pour concevoir, construire et mettre en orbite AMS (en anglais)
Bilan décevant? Pas pour Sonia Natale, qui a travaillé à la conception d’AMS. Elle rappelle qu’en science, rien n’est jamais gagné d’avance et la chance peut aussi jouer son rôle. Et de citer l’exemple des ondes gravitationnelles, détectées le jour même du redémarrage de l’observatoire LIGOLien externe, aux Etats-Unis, après un arrêt technique de plusieurs années.
«Quoi qu’il en soit, note la physicienne du CERN, AMS va réaliser ce qui ne s’est jamais fait jusqu’ici: un monitorage en continu de tous les flux de particules autour de la Terre, dont l’essentiel vient du Soleil. Et ceci pour toute la durée de vie de l’ISS, soit jusqu’en 2024, et on espère même plus». Les scientifiques auront ainsi des données précieuses sur les variations de l’activité de l’astre du jour durant un cycle solaire complet (11 ans), qui devraient permettre d’estimer son influence sur la vie et les activités humaines (changement climatique, communications radio, etc.)
«Houston, on a un problème»
Ces données arrivent sur le site de Prévessin, édifié par le CERN dans les années 70, en territoire français. Un bâtiment récent, recouvert de tôle ondulée bleue, avec une grande fresque spatiale sur la façade, qui lui confère un aspect presque pimpant, au milieu d’un ensemble de constructions spartiates et plutôt vétustes. Ici, on a déjà un pied à la NASA. Même si le lieu n’appartient pas à l’Agence spatiale américaine, AMS est bien accroché à «sa» station spatiale. «Ce sont eux qui gèrent l’infrastructure, on doit donc suivre leurs règles», explique Sonia Natale.
«S’il arrive que l’on doive redémarrer l’ordinateur d’AMS, cela ne peut se faire que via un portable à bord de la station, et c’est un astronaute qui va activer la connexion, raconte la physicienne. Mais nous ne pouvons pas les contacter directement, nous devons passer par la NASA. Ils ont des gens à Houston spécialement formés à gérer le stress, et qui sont seuls habilités à parler aux astronautes. Question de rapport de confiance».
Et si par malheur, AMS a besoin d’une réparation, c’est juste mission impossible. «Nous voulions modifier une pièce qui ne fonctionnait pas correctement, se souvient Sonia Natale. Nous avons dû envoyer un dossier complet et attendre environ deux mois pour qu’on nous dise que ce n’était pas possible. Cela aurait supposé une sortie extravéhiculaire et AMS a des bords tranchants, qui risquaient d’entailler la combinaison de l’astronaute. On a donc dû trouver une solution via des modifications de logiciel».
Discipline chinoise
Les contraintes du règlement, Nicolas Produit en a lui aussi fait l’expérience. Pas à Genève, pas à Houston, mais en Chine. Cet ancien physicien du CERN, qui travaille actuellement pour l’Observatoire de Genève, est le concepteur de Polar, première expérience non chinoise à se trouver embarquée sur une station spatiale de l’Empire du Milieu, qui accueillera prochainement des astronautes.
Dûment accrédité pour assister au lancement le 15 septembre dernier sur la base de Jiuquan, en plein désert de Gobi, il s’est vu interdit de sortie la veille du jour J, avec ses deux collègues. Il a dû assister à l’envol de la fusée Longue Marche depuis le toit de son hôtel. Motif: les trois hommes s’étaient baladés dans un quartier de la ville où ils n’auraient pas dû se trouver, car un ministre était de passage dans le coin. Et les militaires chinois – qui ont la haute main sur les vols spatiaux habités – ne rigolent pas avec la discipline.
Aujourd’hui, Nicolas Produit, aurait plutôt tendance à rigoler de l’incident. Car ce couac mis à part, il est très satisfait d’avoir réussi à convaincre les Chinois de placer son détecteur en orbite. «Il y a énormément de pression pour envoyer des choses dans l’espace. Ce sont des compétitions, et j’en ai fait plusieurs. Je suis allé voir l’ESA, les Russes, les Indiens, et je n’ai pas gagné, jusqu’à ce que je gagne en Chine».
AMS, Polar: deux projets à forte composante genevoise, deux compétitions gagnées. Il y a là évidemment plus qu’un hasard. Travailler ou avoir travaillé au CERN fournit les bonnes connections, sachant que dans le monde, pratiquement un physicien des particules sur deux y est associé de près ou de loin. Avant Polar, le DPNC avait d’ailleurs déjà construit DAMPE, une réplique simplifiée d’AMS (sans aimant), lancée en décembre 2015, déjà sur un satellite chinois.
Polar, par contre, n’est pas un AMS «light». C’est une boîte d’aluminium de 40 centimètres sur 40, remplie de 1600 scintillateurs, soit des cristaux qui réagissent au bombardement par des photons (grains de lumière) à très haute énergie. Et si AMS et un traqueur tous azimuts, Polar est conçu pour répondre à une seule question: «les photons émis pendant la phase la plus intense des sursauts gamma sont-ils polarisés ou pas?»
Cataclysmes galactiques
Qu’est-ce à dire? Les sursauts gammaLien externe sont les phénomènes les plus violents et les plus lumineux que l’on peut observer dans l’univers. Pendant quelques secondes à quelques minutes, une masse énorme de particules, qui peut atteindre celle de la Terre, est projetée dans l’espace à la vitesse de la lumière. L’hypothèse la plus répandue est que ce cataclysme provient de l’effondrement d’une étoile super géante – plusieurs centaines de fois notre soleil – qui va terminer sa vie sous forme de trou noir.
100 millions de fois plus brillant qu’une supernova ! (en anglais)
«On est ici dans des régions de la physique qu’on ne peut pas tester en laboratoire. Les énergies de ces particules se situent à des valeurs qu’on ne pourra jamais atteindre au CERN. C’est quelque chose de complètement inconnu, sur quoi on ne peut qu’extrapoler», explique Nicolas Produit.
Ces flashes titanesques – propres à éclairer une galaxie entière – sont très rares. On estime qu’il s’en produit à peu près un par galaxie tous les 100 millions d’années. Mais comme il y a beaucoup, beaucoup de galaxies, les chances d’en observer un sont en gros d’une par jour. Polar est conçu pour «voir» en permanence un quart du ciel et devrait donc capter en moyenne un sursaut gamma tous les quatre jours.
Et la polarisation? Très schématiquement, on peut dire que la lumière «normale» se déplace sur une trajectoire en forme d’onde verticale, comme les vagues de la mer. Si la lumière est polarisée, l’onde va subir une rotation, par exemple à 45°, et se propager non plus verticalement, mais à plat.
Alors comment se propagent les ondes des sursauts gamma? «Depuis 50 ans qu’on les étudie, on n’en sait encore rien, répond le physicien. Les prédictions vont de 0 à 100% de polarisation. Pour que la lumière soit polarisée, il faut un champ magnétique organisé et une zone d’émission pas trop grande. Les données qu’on va récolter vont donc nous aider à comprendre ce que sont réellement les sursauts gamma».
La mort qui vient du ciel
Les sursauts gamma se déclenchent dans d’autres galaxies, à des millions, voire des milliards d’années-lumière de notre planète. «Et heureusement pour nous, souligne Nicolas Produit. Car s’il s’en produit un dans notre Voie Lactée, Ce ne serait pas bon, mais alors pas bon du tout pour la vie sur Terre».
Un euphémisme. Selon un article paru en 2013 dans la revue NatureLien externe, un sursaut gamma qui toucherait la Terre pourrait détruire en quelques secondes au moins un tiers de la couche d’ozone. Les rayons UV du soleil deviendraient alors mortels pour la plupart des plantes et pour le plancton, à la base de la chaîne alimentaire océanique. Jusqu’à 60% de la production alimentaire s’effondrerait en quelques semaines, avec le chaos que l’on imagine dans les sociétés humaines.
Et pour ajouter un peu d’ambiance à ce tableau apocalyptique, la nouvelle chimie de l’atmosphère entraînerait la formation d’une couche de nuages toxiques d’oxyde d’azote, qui masquerait le soleil, teinterait le ciel de jaune-orange et ferait tomber des torrents de pluies acides.
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