Paris, 22 octobre 2014

Comprendre et prévoir les éruptions solaires

Des chercheurs du Centre de physique théorique (CNRS/École polytechnique) et du laboratoire Astrophysique, interprétation - modélisation (CNRS/CEA/Université Paris Diderot) ont identifié un phénomène-clé dans le déclenchement des éruptions solaires. A l'aide de données satellite et de modèles, les chercheurs ont pu suivre l'évolution du champ magnétique solaire dans une zone ayant un comportement éruptif. Leurs calculs mettent en évidence la formation d'une corde magnétique1 qui émerge de l'intérieur du Soleil et est associée à l'apparition d'une tache solaire. Ils montrent que cette structure joue un rôle important dans le déclenchement de l'éruption. En caractérisant la transition vers l'éruption, ces travaux ouvrent la voie vers la prévision des tempêtes solaires qui affectent la Terre. Ils font la Une de la revue Nature du 23 octobre.
Les éruptions solaires sont des évènements qui ont lieu dans l'atmosphère du Soleil. Elles se caractérisent par des émissions de lumière et de particules ainsi que, pour celles à très grande échelle, par l'éjection d'une bulle de plasma2. Comprendre l'origine de ces phénomènes est intéressant à plusieurs niveaux. En premier lieu, ces éruptions représentent un exemple proche de nous et bien observé de phénomènes physiques se produisant dans tout l'Univers. Mais c'est surtout en raison de leur impact sur l'environnement terrestre que l'étude et la prévision des éruptions représentent un enjeu important. Elles génèrent en effet des perturbations multiples qui touchent entre autres les générateurs électriques au sol, les satellites ainsi que les systèmes GPS et de communication.
L'atmosphère solaire est structurée en plusieurs couches dont la photosphère, qui équivaut à la surface du Soleil, et la couronne, zone la plus externe où se produisent les éruptions. Il existe un champ magnétique au niveau de ces couches et il joue un rôle prépondérant dans les éruptions solaires. Jusqu'ici les observations n'avaient cependant pas permis de comprendre exactement le mécanisme et les structures impliqués, notamment parce qu'il est difficile de mesurer le champ magnétique en tout point de la couronne très chaude et peu dense.
Une éruption survenue dans la nuit du 12 au 13 décembre 2006 a permis une avancée importante. La région du Soleil concernée était observée par le satellite japonais Hinode au moment de l'éruption et dans les jours la précédant. Des données sur le champ magnétique de la photosphère, plus froide et plus dense que la couronne, ont pu être recueillies par le satellite et ont permis aux chercheurs de calculer l'évolution de l'environnement magnétique dans la couronne durant ce laps de temps.
A partir de calculs réalisés à l'IDRIS (CNRS), les scientifiques ont montré qu'une structure caractéristique, en forme de corde magnétique, apparaît progressivement dans les jours précédant l'éruption. Elle est complètement formée la veille du phénomène. Ce résultat est en très bon accord avec les observations faites au niveau de la photosphère et de la couronne : la formation de la corde magnétique concorde avec l'évolution de taches solaires dans la région de l'éruption et avec l'apparition d'autres structures3. Leurs calculs mettent également en lumière que l'énergie de cette corde magnétique augmente au fur et à mesure de son émergence depuis l'intérieur du Soleil.
Grâce à une seconde série de simulations numériques, les chercheurs ont ensuite suivi l'évolution du champ magnétique dans la couronne une fois la corde présente. Leurs résultats montrent que cette structure est bien à l'origine de l'éruption et est même nécessaire pour son apparition : la transition vers l'évènement éruptif n'est pas possible avant sa formation. Cette transition a pu être caractérisée par plusieurs critères : un seuil énergétique et une altitude donnée au-delà de laquelle les arcades magnétiques qui retiennent la corde s'affaiblissent. Si ces points critiques sont dépassés, il y a éruption solaire.
Ces travaux proposent une méthode qui pourra être utile pour la prévision des éruptions. En se basant sur des données magnétiques accumulées en « temps réel » et une chaîne de modèles numériques adaptés, il sera à terme possible, un peu comme en météorologie standard, de prévoir la météorologie dans l'espace et de prévenir les conséquences sur Terre des tempêtes solaires.

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Paris, 5 janvier 2014

Les conditions d'éruption d'un supervolcan recréées dans un laboratoire de rayons X

Des scientifiques ont reproduit les conditions de pression et de température régnant dans la chambre magmatique des supervolcans pour comprendre comment se déclenchent leurs explosions. Ces explosions, heureusement très rares, sont les catastrophes naturelles les plus dramatiques sur Terre, à l'exception des chutes de météorites géantes. Grâce aux rayons X du synchrotron européen (ESRF), les scientifiques ont établi que les éruptions des supervolcans peuvent se produire spontanément, par simple augmentation de la pression magmatique, sans besoin de cause externe. Ces travaux impliquent en France le Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement (CNRS / Université Lyon 1 / ENS Lyon) et l'ESRF (Synchrotron Européen) à Grenoble ainsi que l'université Polytechnique (ETH) de Zurich, l'Institut Paul Scherrer à Villingen (Suisse) et l'université Okayama (Japon). Ils sont publiés dans Nature Geoscience le 5 janvier 2014.
C'est une éruption de supervolcan, il y a 600 000 ans dans le Wyoming aux Etats-Unis, qui a créé le cratère gigantesque, appelé caldeira, au centre duquel se trouve aujourd'hui le Parc National de Yellowstone. Quand le volcan a explosé, il a éjecté plus de 1000 km3 de cendres et de lave dans l'atmosphère, 100 fois plus que l'éruption du Mt Pinatubo aux Philippines en 1992. Les grosses éruptions volcaniques ont un impact majeur sur le climat de la planète. L'éruption du Mt Pinatubo a fait décroître la température du globe de 0,4 degrés pendant plusieurs mois. Pour un supervolcan, la chute de température pourrait être de 10 degrés pendant 10 ans.

Selon un rapport de la Société géologique de Londres, en 2005, « même la science-fiction ne peut imaginer un mécanisme crédible qui permettrait d'éviter l'éruption d'un supervolcan. Nous devons cependant essayer de comprendre les mécanismes impliqués dans les super-éruptions et prédire la catastrophe suffisamment à l'avance pour que la société en soit avertie. La préparation est le seul moyen de limiter les effets désastreux d'une super-éruption. »

Les mécanismes qui provoquent les éruptions de supervolcans sont restés obscurs jusqu'à maintenant. Ils sont bien différents des phénomènes éruptifs observés dans les volcans conventionnels tels que le Mt Pinatubo. Un supervolcan possède une chambre magmatique beaucoup plus grande et il est toujours situé dans une zone où le flux thermique en provenance du centre de la Terre est très élevé. De ce fait, la chambre magmatique est beaucoup plus grande et chaude, mais aussi déformable : sa forme change en fonction de la pression au fur et à mesure qu'elle se remplit de magma chaud. Cette plasticité permet à la pression de se dissiper plus efficacement que dans un volcan normal, dont la chambre magmatique est plus rigide. C'est pour cette raison que les supervolcans n'explosent pas souvent.
D'où la question : qu'est-ce qui peut alors provoquer l'éruption d'un supervolcan ? Wim Malfait de l'ETH Zurich explique: « L'élément déclenchant est une pression additionnelle causée par les différences de densité entre la roche solide et le magma liquide. On pourrait comparer cela à un ballon de foot rempli d'air que l'on plonge dans l'eau et qui remonte à la surface car l'eau est plus dense tout autour. » Cette pression additionnelle est-elle suffisante pour causer des fissures de la croûte terrestre, suivie d'une éruption violente, ou faut-il une source d'énergie externe comme un tremblement de terre ? Tel était le sujet de cette recherche.

Comme il est impossible de percer un trou dans la chambre magmatique d'un supervolcan pour l'étudier directement, les scientifiques ont reproduit en laboratoire les conditions extrêmes de pression et de température au niveau du magma. «Les rayons X de l'ESRF peuvent être ensuite utilisés pour connaître l'état (liquide ou solide) de la matière et les changements de densité lorsque le magma cristallise sous forme de roche », dit Mohamed Mezouar, chercheur à l'ESRF et membre de l'équipe. Jean-Philippe Perrillat, chercheur au Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement (CNRS / Université Lyon 1 / ENS Lyon), ajoute : « Des températures de plus de 1700 degrés et des pressions jusqu'à 36 000 atmosphères peuvent être atteintes à l'intérieur d'une presse appelée Paris-Edimbourg, où de minuscules échantillons de roche sont placés entre les deux pointes d'une enclume en carbure de tungstène puis chauffés avec un four résistif. Cet appareillage a été utilisé pour déterminer très exactement la densité du magma liquide sur une large gamme de pressions et de températures. » Le magma contient souvent de l'eau qui, sous forme de vapeur, ajoute de la pression. Les scientifiques ont également établi les densités de magma en fonction du contenu en eau.

Les résultats de ces expériences ont montré que la pression résultant des différences de densité entre la roche solide et le magma liquide est suffisante pour fissurer la croûte terrestre sur une distance de 10 km de la chambre magmatique. Carmen Sanchez-Valle de l'ETH Zurich conclut : «  Notre recherche a montré que la pression est suffisante pour que la croûte terrestre se fissure et le magma pénètre dans la croûte, même en l'absence d'eau ou de bulles de dioxyde de carbone. En montant vers la surface, une expansion violente du magma connue pour être à l'origine des explosions volcaniques, peut se mettre en place.»

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Cinquante nouvelles exoplanètes découvertes dont 16 nouvelles super-Terres

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- communiqué de presse
Lundi, 12 Septembre 2011

Une équipe internationale d'astronomes impliquant en France, le CNRS, l'UPMC et l'UVSQ, annonce aujourd'hui la découverte de 50 nouvelles exoplanètes en orbite autour de proches étoiles. Cette riche moisson, livrée grâce à l'instrument HARPS, le très performant « chasseur » d'exoplanètes de l'ESO[1] installé au Chili, inclut 16 super-Terres, c'est-à-dire des planètes de masse comprise entre une et dix fois celle de notre planète. L'une de ces super-Terres se situe à l'intérieur de la zone habitable de son étoile : elle pourrait donc être propice à l'apparition de la vie et à son évolution. De plus, les chercheurs ont établi que plus de 40% des étoiles similaires au Soleil possèdent au moins une planète plus légère que Saturne. Ces résultats, sont présentés le 12 septembre, lors de la conférence sur les systèmes solaires extrêmes, qui se déroule dans le Wyoming aux Etats-Unis.
Depuis 2003, HARPS ausculte le ciel austral en quête de planètes gravitant autour d'autres étoiles que le Soleil. En partie développé en Francre et installé sur le télescope de l'Observatoire La Silla de l'ESO au Chili, ce spectrographe est le chasseur d'exoplanètes le plus performant au monde : jusqu'à présent, il avait détecté une centaine d'exoplanètes[2], via une technique ultra-précise basée sur la mesure des vitesses radiales des étoiles[3]. A ce nombre, s'ajoutent aujourd'hui 50 nouvelles autres planètes. Très riche, cette dernière moisson de découvertes obtenue par HARPS inclut une population extrêmement abondante de super-Terres[4] (16 en tout) et de planètes semblables à Neptune[5] orbitant autour d'étoiles très similaires à notre Soleil.
Utilisant les observations effectuées par HARPS, les astronomes ont pu largement améliorer leur estimation de la probabilité pour une planète de faible masse (par opposition à une géante gazeuse comme Jupiter ou Saturne) d'orbiter autour d'une étoile semblable au Soleil. Ils ont ainsi constaté que plus de 40% de ces étoiles comprennent au moins une planète possédant une masse inférieure à celle de Saturne (comprise entre 3 et 95 fois la masse de la Terre).
HARPS devrait atteindre des niveaux inégalés de stabilité et de sensibilité, ce qui lui permettrait de repérer, dans les années à venir, des planètes rocheuses capables d'abriter la vie. Dix étoiles proches, similaires au Soleil[6], ont été sélectionnées pour mener des recherches systématiques de super-Terres. Deux ans de travail furent nécessaires aux astronomes avant de découvrir cinq planètes de masse inférieure à cinq fois la masse terrestre. Une seule de ces cinq planètes serait susceptible d'abriter la vie. Ainsi, HARPS a jusqu'à maintenant détecté deux super-Terres au sein de zones habitables (zone étroite, localisée autour d'une étoile, à l'intérieur de laquelle l'eau peut être présente sous forme liquide). La première, Gliese 581 d, a été mise en évidence en 2007. La seconde, baptisée HD 85512 b, possède une masse estimée à environ 3,6 fois la masse terrestre. Située à 36 années-lumière, il s'agit de la planète de plus faible masse repérée par HARPS. « Avoir détecté HD 85512 b démontre la possibilité de découvrir d'autres super-Terres dans la zone d'habitabilité d'étoiles similaires au Soleil », précise Michel Mayor, à l'initiative du projet HARPS qui est maintenant dirigé par son collègue de l'Observatoire de Genève.
D'ici vingt ans, devrait être publiée la première liste des planètes habitables à proximité du système solaire, grâce à laquelle des expériences futures pourront rechercher de possibles signatures spectroscopiques de la vie dans des atmosphères d'exoplanètes. Ces résultats renforcent le sentiment des astronomes qu'ils sont proches de découvrir de nouvelles petites planètes rocheuses autour de planètes similaires au Soleil. De nouveaux instruments sont prévus pour faire progresser ce pan de la recherche. Ils incluent le spectrographe SOPHIE de l'obseratoire de Haute Provence, une copie de HARPS à installer sur le télescope italien Galileo aux Iles Canaries, pour étudier les étoiles du ciel de l'hémisphère nord, mais également un nouveau et plus puissant chasseur d'étoiles, nommé ESPRESSO, devant être mis en place sur le très grand télescope (VLT) de l'ESO en 2016 au Chili.
Ces résultats sont présentés lundi 12 septembre 2011 lors de la conférence sur les systèmes solaires extrêmes, qui se déroule dans le Wyoming aux Etats-Unis. Elle réunit plus de 350 experts en exoplanètes.

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Paris, 22 Septembre 2014

À la recherche des origines de l'Univers : première étape pour NOEMA

L'observatoire du plateau de Bure de l'IRAM1 (CNRS/MPG/IGN) dans les Alpes françaises accueillera d'ici à cinq ans, six antennes supplémentaires grâce au projet NOEMA (NOrthern Extended Millimeter Array). La première de ces six antennes est inaugurée lundi 22 septembre 2014 au siège de l'IRAM près de Grenoble. Une fois terminé, NOEMA deviendra ainsi le radiotélescope millimétrique le plus puissant de l'hémisphère Nord. Il permettra notamment aux astronomes d'observer les galaxies et les trous noirs aux confins de l'Univers mais aussi d'identifier des éléments clefs dans la formation des étoiles et des systèmes planétaires.
La radioastronomie millimétrique joue un rôle essentiel dans l'astrophysique moderne : elle rend possible l'étude de l'origine et de l'évolution de l'Univers. NOEMA (NOrthern Extended Millimeter Array) appartient à une nouvelle génération de radiotélescopes. Lorsqu'il sera terminé, cet instrument sera l'interféromètre le plus puissant de l'hémisphère Nord. Grâce à six antennes supplémentaires de 15 mètres de diamètre chacune et à de nouveaux systèmes de réception d'une sensibilité extrême, NOEMA aura une précision 10 fois meilleure que celle de l'observatoire actuel et offrira une résolution spatiale 4 fois plus fine que son prédécesseur. Ces récepteurs sont entièrement conçus et réalisés dans les laboratoires de l'institut IRAM (CNRS/MPG/IGN) en utilisant les technologies des très hautes fréquences (teraHertz), des détecteurs supraconducteurs et des technologies de basse température (cryogénie).
Ainsi NOEMA, avec une résolution spatiale de 0,2 secondes d'arc2 soit celle du VLT de l'ESO, sera en mesure d'obtenir des images précises et inédites de nuages de gaz interstellaires, et des étoiles qui y naissent. Il permettra aux chercheurs d'identifier des molécules interstellaires et d'analyser la poussière cosmique, des éléments clefs dans la formation des étoiles et des galaxies. NOEMA apportera des réponses à quelques-unes des questions les plus fondamentales de l'astronomie moderne : comment se sont formées les toutes premières étoiles ? Comment les grandes structures de l'Univers ont-elles évoluées pour aboutir aux galaxies géantes comme notre Voie Lactée ? Ou comment se forment les systèmes planétaires ?
NOEMA, d'un budget total estimé à 45 millions d'euros, est conjointement financé par les partenaires qui ont fondé l'IRAM : le CNRS en France et la MPG (Max-Planck-Gesellschaft) en Allemagne. La première de ses six antennes est inaugurée le 22 septembre au siège de l'IRAM, en présence de ses contributeurs. Elle sera opérationnelle à la fin de l'année 2014. La deuxième des six nouvelles antennes devrait quant à elle être mise en service l'année prochaine, et il faudra attendre 4 à 5 ans de plus pour voir le projet entièrement terminé avec ses 12 antennes sur le plateau.

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