Paris, 10 octobre 2012

Cent ans après, la découverte d'un nouveau type de rayons cosmiques
Grâce à XMM-Newton1, le satellite européen d'astronomie en rayons X, des chercheurs du CNRS2 et du CEA3 ont découvert une nouvelle source de rayons cosmiques. Au voisinage de l'extraordinaire amas des Arches, près du centre de la Voie lactée, ces particules sont accélérées dans l'onde de choc générée par le déplacement à une vitesse d'environ 700 000 km/h de dizaines de milliers de jeunes étoiles. Ces rayons cosmiques produisent alors une émission X caractéristique en interagissant avec les atomes du gaz ambiant. Leur origine diffère de celle des rayons cosmiques découverts il y a tout juste cent ans par Victor Hess, qui sont issus des explosions de supernovæ. Ces résultats sont publiés dans la revue Astronomy & Astrophysics.
Il y a cent ans, le physicien autrichien Victor Franz Hess découvrait l'existence d'un rayonnement ionisant d'origine extraterrestre, les « rayons cosmiques ». Leur nature est aujourd'hui bien connue. Lorsque certaines étoiles en fin de vie explosent et deviennent des supernovæ, leur matière est éjectée à une vitesse supersonique et génère des ondes de choc qui accélèrent les particules. Certains noyaux atomiques acquérant ainsi une très forte énergie cinétique arrivent jusqu'à la Terre.

Mais les rayons cosmiques de basse énergie4 ne sont pas détectés au voisinage de notre planète, car le vent solaire les empêche de pénétrer dans l'héliosphère. On ne sait donc pas grand-chose de leur composition chimique et de leur flux en dehors du système solaire, mais tout indique qu'ils jouent un rôle important dans la galaxie. Ainsi, en ionisant et en chauffant les nuages interstellaires les plus denses, ils régulent sans doute la formation des étoiles.

Les auteurs de l'article ont commencé par étudier de façon théorique l'émission X que devraient générer des rayons cosmiques de basse énergie dans le milieu interstellaire. Puis ils ont recherché la trace de cette émission théorique dans des données en rayons X accumulées par le XMM-Newton depuis son lancement en 1999. En analysant les propriétés de l'émission X du fer interstellaire enregistrée par le satellite, ils ont alors trouvé les signatures d'une forte population d'ions rapides au voisinage de l'amas des Arches, à environ cent années-lumière du centre de la Voie lactée. Les étoiles de cet amas se déplacent de concert à la vitesse d'environ 700 000 km/h. Les rayons cosmiques sont vraisemblablement produits dans la collision à grande vitesse de l'amas d'étoiles avec un nuage de gaz se trouvant sur leur chemin (Fig. 1). Dans cette région particulière, la densité d'énergie des ions accélérés est environ mille fois supérieure à celle des rayons cosmiques au voisinage du système solaire.

Il s'agit de la première découverte d'une source majeure de rayons cosmiques5 de basse énergie en dehors du système solaire. Cela montre que les ondes de choc des supernovae ne sont pas les seuls objets à pouvoir accélérer en masse des noyaux atomiques dans la galaxie. Ces résultats devraient permettre d'identifier de nouvelles sources d'ions dans le milieu interstellaire et peut-être de mieux comprendre les effets de ces particules énergétiques sur la formation des étoiles.

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Paris, 21 mars 2013

Planck dévoile une nouvelle image du Big Bang
Lancé en 2009, Planck, le satellite de l'Agence spatiale européenne (ESA) dédié à l'étude du rayonnement fossile, livre aujourd'hui les résultats de ses quinze premiers mois d'observations. Ils apportent une moisson de renseignements sur l'histoire et la composition de l'Univers : la carte la plus précise jamais obtenue du rayonnement fossile, la mise en évidence d'un effet prévu par les modèles d'Inflation, une révision à la baisse du rythme de l'expansion de l'Univers, ou encore une nouvelle évaluation de la composition de l'Univers. Bon nombre de ces données ont été obtenues grâce au principal instrument de Planck, HFI, conçu et assemblé sous la direction de l'Institut d'astrophysique spatiale (CNRS/Université Paris-Sud) avec un financement du CNES et du CNRS.
Depuis sa découverte en 1965, le rayonnement fossile constitue une source de connaissance précieuse pour les cosmologistes, véritable « Pierre de Rosette » permettant de décrypter l'histoire de l'Univers depuis le Big Bang. Ce flux de photons détectable sur l'ensemble du ciel, dans la gamme des ondes radio,  témoigne de l'état de l'Univers lors de sa prime jeunesse et recèle les traces des grandes structures qui se développeront par la suite. Produit 380 000 ans après le Big Bang, au moment où se formèrent les premiers atomes, il nous arrive quasi inchangé et permet aux scientifiques d'accéder à l'image de ce que fut le cosmos à sa naissance, voici environ 13.8 milliards d'années. Confronter ces mesures aux modèles théoriques peut nous apporter de multiples informations : non seulement sur l'évolution de l'Univers depuis l'apparition du rayonnement fossile, mais également sur des événements antérieurs qui en sont la cause et pour lesquels les astrophysiciens disposent de peu d'observations.

Une nouvelle carte du rayonnement fossile

C'est l'une de ces fenêtres sur l'Univers primordial que vient d'ouvrir la mission Planck. Lancé en 2009, ce satellite de l'ESA a, durant un an et demi, dressé une carte de ce rayonnement fossile sur l'ensemble du ciel. Planck possède deux instruments dont l'un, l'Instrument haute fréquence HFI, a été conçu et assemblé sous la direction de l'Institut d'Astrophysique Spatiale (CNRS/Université Paris-Sud) avec un financement du CNES et du CNRS. Grâce à eux, il a pu mesurer avec une sensibilité sans précédent les variations d'intensité lumineuse de l'Univers primordial, venant affiner les observations des missions spatiales COBE (lancée en 1990) et WMAP (en 1998). Ces variations d'intensité lumineuse (qui se présentent sous la forme de taches plus ou moins brillantes) sont précisément l'empreinte des germes des grandes structures actuelles du cosmos et désignent les endroits où la matière s'est par la suite assemblée, puis effondrée sur elle-même, avant de donner naissance aux étoiles, galaxies et amas de galaxies.
 
Selon certaines théories, l'origine de ces « grumeaux » ou « fluctuations » du rayonnement fossile est à chercher du côté de l' « Inflation », un évènement survenu plus tôt dans l'histoire de l'Univers. Durant cet épisode, très violent, qui se serait déroulé environ 10-35 secondes après le « Big Bang », l'Univers aurait connu une brusque phase d'expansion et aurait grossi de manière considérable, au moins d'un facteur 1026. Planck a permis de démontrer la validité de l'une des prédictions essentielles des théories d'Inflation : l'intensité lumineuse des « fluctuations à grande échelle » doit être légèrement supérieure à celle des « fluctuations à petite échelle ». En revanche, pour les plus grandes échelles, l'intensité observée est inférieure de 10% aux prédictions de l'Inflation, un mystère qu'aucune théorie ne parvient à expliquer aujourd'hui. Planck confirme par ailleurs avec certitude l'existence d'autres anomalies observées par le passé comme une mystérieuse asymétrie des températures moyennes observées dans des directions opposées ou l'existence d'un point froid.

Les données de la mission nominale de Planck font l'objet d'une trentaine de publications simultanées disponibles le 21 mars 2013 sur http://sci.esa.int, puis le 22 mars 2013 sur www.arxiv.org.
Parmi ces autres résultats :
-    La confirmation de la « platitude » de l'Univers
-    La révision à la baisse de la constante de Hubble, et donc du rythme d'expansion de l'Univers
-    Une nouvelle évaluation, à partir du seul rayonnement fossile, de la composition de l'Univers : 69.4 % d'énergie noire (contre 72.8 % auparavant), 25.8 % de matière noire (contre 23 %) et 4.8 % de matière ordinaire (contre 4.3 %).
-    Des cartes inédites précieuses pour affiner le scénario de l'histoire de l'Univers et comprendre la physique qui régit son évolution : elles permettent de montrer comment se répartissent la matière noire et la matière ordinaire sur la voûte céleste ; le « fond diffus infrarouge » correspond quant à lui à la lumière émise par les poussières de toutes les galaxies au cours des dix derniers milliards d'années et permet donc d'identifier les zones où se sont concentrés les objets constitués de matière ordinaire.
-    Une première analyse de la polarisation du signal cosmologique, qui montre que les données de Planck sont remarquablement cohérentes avec celles sur l'intensité du rayonnement fossile aux échelles correspondantes aux futurs amas de galaxies ; une analyse plus complète sera fournie en 2014, ainsi que d'autres résultats de la mission Planck.

La contribution de la recherche française dans la mission Planck

La France est leader de l'instrument haute fréquence Planck-HFI, essentiel pour les résultats cosmologiques : sa construction a coûté 140 millions d'euros et mobilisé 80 chercheurs de dix laboratoires du CNRS, du CEA et d'universités, ainsi que de nombreux ingénieurs et techniciens. La France a assuré plus de 50% du financement de cette construction ainsi que celui du traitement de ses données : ce financement provient pour moitié du CNES, pour moitié du  CNRS et des universités. Elle participe également au financement de la mission elle-même via sa contribution financière au programme scientifique de l'ESA, soit 15% du coût de la mission.

Une contribution française essentielle au projet Planck a été la fourniture du système de refroidissement à 0.1 degrés au-dessus du zéro absolu de l'instrument HFI. Ce système, qui a fait l'objet d'un  brevet CNES, a été inventé par Alain Benoît (CNRS), de l'Institut Néel (ce qui lui a valu la médaille de l'innovation 2012 du CNRS) et développé par la société Air Liquide. Grâce à cette innovation, la caméra HFI détient le record de froid pour un instrument spatial, avec un cryostat refroidi pendant près de mille jours à -273,05°C.
(http://www2.cnrs.fr/presse/communique/2679.htm).

L'exploitation des résultats scientifiques est assurée majoritairement par le CNRS, avec notamment Jean-Loup Puget (de l'IAS), « Principal Investigator » d'HFI, et François Bouchet (de l'IAP), « Co-Principal Investigator ».

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Paris, 31 juillet 2012

Première lumière de HESS-II, le plus grand télescope gamma au monde

Le télescope HESS-II (1), situé en Namibie, a été mis en service le 26 juillet 2012 à 0h43 (heure de Paris). Équipé d'un miroir de 28 mètres de diamètre, HESS-II est le plus grand télescope gamma jamais construit à ce jour. Avec ce nouveau géant, l'observatoire international H.E.S.S., auquel contribuent le CNRS et le CEA, permettra de découvrir de nombreuses nouvelles sources cosmiques de haute énergie et de caractériser les phénomènes les plus violents de l'Univers.
Dans l'Univers, les trous noirs supermassifs, les amas de galaxies, les supernovæ, les étoiles doubles et les pulsars jouent le rôle d'accélérateurs naturels de particules cosmiques (électrons, ions…). Ces particules y acquièrent une très grande énergie, produisant des rayons gamma (2). Lorsque ces rayons atteignent l'atmosphère terrestre, ils se détruisent en une gerbe de particules secondaires, qui émettent un flash très ténu de lumière bleutée, la lumière Cherenkov. C'est cette lumière que les télescopes gamma, comme HESS-II, peuvent détecter.

HESS-II s'ajoute aux instruments de l'observatoire H.E.S.S., jusque-là composé de quatre télescopes de 12 mètres de diamètre, en fonctionnement depuis 2004 et dédiés à l'étude de l'Univers violent.

Le fonctionnement de HESS-II

La caméra électronique du nouveau télescope pourra détecter la lumière Cherenkov avec un « temps d'exposition » de quelques milliardièmes de secondes, une rapidité quasiment un million de fois supérieure à celle d'une caméra normale. D'une masse de trois tonnes, cette caméra est suspendue à 36 mètres au-dessus du miroir principal du télescope : pointée à la verticale, cette installation atteint alors la hauteur d'un immeuble de vingt étages. En dépit de sa taille et de ses 600 tonnes, HESS-II pourra pivoter deux fois plus rapidement que les autres télescopes de H.E.S.S., afin de répondre immédiatement aux alertes de sursauts gamma, ces signaux d'explosions qui arrivent soudainement de n'importe où dans le ciel.

La caméra et son système électronique intégré représentent l'essentiel de la contribution française dont le maître d'œuvre est l'IN2P3 du CNRS (3). Le CEA s'est investi dans le développement d'une puce dédiée, composante clé de l'électronique. Pour la réalisation de cette électronique, les laboratoires français se sont appuyés sur l'expertise acquise lors de la construction des caméras des quatre premiers télescopes, ainsi que sur un réseau de partenaires industriels.

Plus d'une centaine de sources cosmiques de rayons gamma de très haute énergie ont été recensées à ce jour, dont une majorité grâce à l'observatoire H.E.S.S. Le télescope HESS-II permettra d'étudier de façon plus détaillée les processus à l'œuvre dans ces objets du cosmos (trous noirs supermassifs, supernovae…), et de découvrir de nouvelles sources - voire des sources de nature encore inconnue - en détectant les rayons gamma dans une gamme d'énergie plus basse, jusque-là inexplorée.

HESS-II ouvre également la voie à la réalisation du CTA (Cherenkov Telescope Array), réseau de télescopes Cherenkov, défini comme une très haute priorité par les physiciens des astroparticules et les agences de financement en Europe. Le CTA permettra, grâce à la mise en réseau de plusieurs télescopes, d'élargir les gammes d'énergie détectables et d'affiner la résolution des résultats.

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Paris, 23 novembre 2012

Un événement de l'histoire du champ magnétique terrestre révélé par l'action du rayonnement cosmique
Il y a 41 000 ans, le champ magnétique de la Terre s'est estompé jusqu'à pratiquement disparaître, laissant notre planète sans protection face au bombardement de particules cosmiques. Des traces de cet événement ont été retrouvées dans des carottes de sédiments océaniques par une équipe du Centre de recherche et d'enseignement de géosciences de l'environnement (CEREGE, CNRS/Aix-Marseille Université/IRD/Collège de France). Dans ces carottes, les chercheurs ont mesuré des variations dans la concentration de Béryllium 10, un isotope radioactif produit par l'action des particules cosmiques sur les atomes d'oxygène ou d'azote de l'atmosphère. Ces travaux, publiés dans le Journal of Geophysical Research, sont un pas important vers la mise au point d'une nouvelle méthode pour étudier l'histoire du champ magnétique terrestre, qui permettra de mieux comprendre sa baisse d'intensité en cours depuis trois millénaires.
Le champ magnétique terrestre forme un efficace bouclier déviant les particules chargées d'origine cosmique qui se dirigent vers nous. Loin d'être constant, celui-ci a connu de nombreuses inversions, le Nord magnétique se retrouvant au pôle Sud géographique. Ces inversions sont toujours accompagnées d'une annulation du champ magnétique. La dernière est survenue il y a 780 000 ans. Le champ magnétique peut aussi connaître des excursions, des périodes où il s'effondre comme s'il allait s'inverser, avant de retrouver sa polarité normale. Le dernier de ces événements, appelé excursion de Laschamp, date d'il y a 41 000 ans.

Ce sont des traces de cet événement que les chercheurs ont retrouvé dans des carottes de sédiments récoltées au large du Portugal et de la Papouasie-Nouvelle Guinée. Dans ces échantillons, ils ont retrouvé des excès de Béryllium 10, un élément produit exclusivement lors de la collision entre particules d'origine cosmique et atomes d'azote ou d'oxygène. Le Beryllium 10 (10Be) produit dans l'atmosphère retombe ensuite à la surface de la Terre où il s'incorpore aux glaces et aux sédiments. Dans les couches correspondant à l'excursion de Laschamp, les chercheurs ont retrouvé jusqu'à deux fois plus de 10Be que le taux normal, témoignant de l'intense bombardement de particules cosmiques qu'a subi la Terre durant plusieurs millénaires.

Classiquement, l'étude de l'histoire du champ magnétique se fait grâce à la présence dans les laves volcaniques, les sédiments ou les poteries antiques de certains oxydes de fer, notamment la magnétite, qui indiquent la direction et l'intensité du champ magnétique existant au moment où ces matériaux se sont figés. Parfois, cette approche, dite paléomagnétique, n'est pas suffisante pour quantifier précisément les variations globales du champ. Les chercheurs ont couplé cette méthode avec la mesure de la concentration de Béryllium 10 sur les mêmes archives sédimentaires. Ils ont ainsi montré que les pics de concentration de cet isotope sont synchrones et présentent la même dynamique et la même amplitude dans les sédiments du Pacifique et de l'Atlantique que dans les glaces carottées au Groenland précédemment analysées. La méthode basée sur le Béryllium 10, affinée depuis 10 ans au CEREGE, permet donc de reconstituer de façon continue les variations d'intensité du champ magnétique terrestre dans sa globalité.

Par ailleurs, on sait que depuis 3000 ans le champ magnétique a perdu 30% de sa force. Cette évolution laisse penser que la Terre pourrait connaître dans les siècles à venir, une excursion semblable à celle survenue il y a 41 000 ans. Les rayons cosmiques de haute énergie pouvant provoquer des mutations et lésions cellulaires, cet événement  ne serait pas sans conséquences sur la biodiversité, et notamment sur l'espèce humaine. Voilà pourquoi les chercheurs veulent connaître précisément les rythmes des séquences d'inversions et excursions du champ magnétique afin de retrouver d'éventuelles régularités dans son comportement, et mieux comprendre ainsi l'origine de ces phénomènes dont le siège est le noyau terrestre. C'est le but du projet Magorb lancé en 2009, avec le financement de l'ANR, et porté par le CEREGE, l'Institut de physique du globe de Paris (IPGP) et le Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (LSCE, CNRS/CEA/UVSQ).

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