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L'astrophysique nucléaire

Astrophysique au laboratoire


A l'observation et la théorie se sont ajoutées la simulation numérique et même l'expérience.

Publié le 10 décembre 2015

Télescopes et satellites

En astrophysique, les découvertes sont essentiellement faites grâce à des télescopes au sol ou embarqués à bord de satellites.

L’ensemble des rayonnements forme le spectre électromagnétique ; qui est utilisé depuis les ondes radio jusqu’aux rayons X ou gamma, chaque domaine spectral apportant des informations spécifiques. Par exemple :

  • les rayons infrarouges nous apprennent où et comment les étoiles et les planètes se forment ;
  • la lumière visible renseigne sur les propriétés du gaz de la photosphère des étoiles ;
  • les rayons X et gamma révèlent les phénomènes parfois très violents qui adviennent à la fin de la vie d’une étoile : supernovas, pulsars, étoiles à neutrons, trous noirs.


Spectre électromagnétique
Spectre électromagnétique © Antoine Levesque

Ces rayonnements se distinguent par leur longueur d’onde, mesure de l’énergie qu’ils transportent. Plus la longueur d’onde est courte, plus le rayonnement transporte d’énergie et plus le gaz qui l’a produit est chaud. A l’inverse, les grandes longueurs d’onde sont caractéristiques de rayonnements moins énergétiques et issus de milieux plus froids.
L’interprétation des données recueillies permet de déterminer la luminosité de l’étoile, sa température de surface, sa vitesse radiale ou sa composition chimique.


Au laboratoire

Recréer sur Terre les phénomènes violents, qui agitent les astres et le milieu interstellaire, a longtemps été impensable, car cela nécessite de fournir des quantités phénoménales d’énergie pour chauffer et comprimer la matière et obtenir un plasma qui ressemble à ceux que l’on observe en astrophysique.

Les progrès réalisés sur les lasers permettent désormais cette astrophysique de laboratoire. Les échantillons étudiés grâce à des lasers à haute énergie mesurent quelques centimètres cubes. Ces expériences permettent d’acquérir des données de physique fondamentale et d’analyser des phénomènes astrophysiques dynamiques où se mélangent instabilités, rayonnement et champ magnétique.

Ligne du faisceau d'ions produits par le cyclotron CIME au Ganil
Ligne du faisceau d'ions produits par le cyclotron CIME au Ganil © P.Stroppa/CEA

On déduit ce qui pourrait se passer dans un plasma de taille astrophysique en utilisant des lois d’échelle.

Grâce aux accélérateurs d’ions lourds du Ganil, les physiciens explorent l’infiniment petit : la structure des noyaux, leurs propriétés thermiques et mécaniques…
Ils créent des noyaux exotiques, qui n’existent pas sur Terre mais peuplent le cœur des étoiles, et recréent de minuscules « étoiles » au sein de leurs installations.


Simulation numérique

Après l’observation et l’instrumentation, la simulation est la troisième voie de recherche en astrophysique. Les principales études concernent la cosmologie, la physique stellaire, l’étude des disques protoplanétaires et celle du milieu interstellaire.

Grâce au développement de supercalculateurs, reconstituer l’évolution de la matière dans l’Univers est désormais possible. A charge pour les ordinateurs de résoudre les équations de la gravité, de la mécanique des fluides et de la physique des gaz qui régissent ces mouvements, en partant de données initiales connues.

VidéoLa simulation 3D de l'univers

Pour valider leurs théories, les chercheurs découpent l’Univers en cubes, plus ou moins petits en fonction de la densité de la matière. La plus grande simulation a été réalisée par le projet Horizon : elle a reconstitué l’évolution de 70 milliards de particules de matière noire dans un cube de 6 milliards d’années-lumière de côté (la moitié de l’Univers observable !), divisé en 140 milliards de mailles.


Astérosismologie

Ondes acoustiques d'une étoile
© G.Perez/IAC
La surface d’une étoile est animée par les mouvements turbulents qui agitent sa zone convective et engendrent des ondes acoustiques qui se propagent en son sein. Puisque le vide règne dans l’espace, les chercheurs ne peuvent pas les écouter directement ; ils enregistrent les mouvements de dilatation et de compression en analysant les mouvements de surface.
Chacune de ces millions de pulsations doit être étudiée individuellement. Cela permet de déterminer la vitesse du son et donc la densité et la température au sein de l’étoile, couche par couche. La sismologie stellaire a pris son essor avec le satellite SOHO, observant le Soleil, mais aussi avec le satellite Kepler pour les autres étoiles. L’aventure va continuer avec le lancement de la mission Plato de l’ESA, prévu vers 2025, qui étudiera les vibrations de centaines de milliers d’étoiles de la Voie lactée.

Webdoc L'Odyssée de la Lumière

Webdoc L'Odyssée de la Lumière

Observation en rayons X et gamma

Integral

Les vestiges chauds et radioactifs des explosions d’étoiles émettent des rayonnements X et gamma. Ce sont eux que les astrophysiciens observent, car cette partie la plus énergétique du spectre électromagnétique apporte les indices les plus nets de la synthèse des noyaux d’atomes dans l’Univers. Le satellite Integral (International Gamma-Ray Astrophysics laboratory), lancé en octobre 2002, étudie la radioactivité de la Voie lactée et des galaxies voisines, permettant de préciser les modèles d’étoiles et de mieux comprendre les processus dynamiques qui engendrent leur explosion. Le but de ce télescope spatial est de détecter le rayonnement gamma émis par les éléments radioactifs à vie longue tels que l’aluminium 26, à vie moyenne comme le titane 44 et à vie courte tel le cobalt 56. Il permet également de repérer où se situe l’action de la nucléosynthèse dans la galaxie.


Hess

Installé en Namibie, le réseau de télescopes Hess observe les gerbes de particules provoquées par les particules ou les rayons gamma de haute énergie entrant dans l’atmosphère terrestre. Il en déduit l’origine, ce qui permet de mieux comprendre des sources comme la nébuleuse du Crabe, reste d’une supernova qui explosa en 1054. Plus d’une centaine de sources ont été recensées, certaines sont des restes de supernova ou des pulsars, d’autres sont de nature encore inconnue.



Observation en infrarouge

Herschel
Le satellite Herschel, lancé en avril 2009, a fourni des images de l’Univers dans l’infrarouge lointain et submillimétrique. Celles-ci servent à une quarantaine de programmes d’observation qui portent sur l’origine de la masse des étoiles, la formation des étoiles massives, l’évolution du milieu interstellaire des galaxies et l’histoire de l’évolution des galaxies.

Alma
Observatoire Alma
Le télescope Apex détecte de nombreux objets célestes, qui seront ensuite étudiés plus précisément par Alma. © DR
Sur Terre, au Chili, les 66 antennes de l’observatoire Alma analysent le rayonnement émis par les nuages de gaz et de poussières très froids dans lesquels les étoiles sont en train de naître.

Planck
Satellite Planck
© ESA
Entre 2009 et 2012, le télescope spatial Planck a cartographié l’intégralité de la voûte céleste dans 9 longueurs d’onde du domaine infrarouge, provenant de sources différentes : étoiles, poussières interstellaires, galaxies, amas galactiques… En ôtant de l’image complète les rayonnements émis par chaque source, il a fourni en 2013 l’image du plus ancien rayonnement de l’Univers, le fond diffus cosmologique, émis il y a 13,8 milliards d’années !
L’analyse de ce fond diffus cosmologique a permis de valider le modèle cosmologique standard d’un Univers en expansion accélérée, probablement issu d’une phase d’expansion exponentielle appelée inflation.