LA GRAVITATION : HISTOIRE ET PROBLÈMES ACTUELS

Conférence donnée le 4 novembre 2003 par Luc Blanchet, physicien théoricien au GReCO-IAP. La relativité générale, créée en 1915 par Einstein, est issue d'une combinaison remarquable du principe de relativité, qui stipule l'invariance des lois de la physique dans les changements de repères inertiels (les lois sont les mêmes dans le train à grande vitesse et sur le talus immobile le long des rails), et le principe d'équivalence exprimant la fameuse égalité de la chute des corps (une plume tombe à la même accélération qu'une bille de plomb dans le champ de gravitation). Le pulsar binaire PSR 1913+16, un pulsar en orbite autour d'une autre étoile à neutrons, a montré l'existence d'une prédiction de cette théorie : les ondes gravitationnelles, que forme le champ de gravitation en se déplacant à la vitesse de la lumière. Les expériences VIRGO et LIGO vont permettre d'observer directement ces ondes, émises par des systèmes d'étoiles à neutrons ou de trous noirs doubles, au moment de leur fusion finale pour former un trou noir. La dynamique de ces systèmes se déduira de la comparaison avec la théorie dans ce qu'elle a de plus "pur" : le problème du mouvement gravitationnel de deux corps.

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L’ODYSSÉE DE LA MATIÈRE
par Jacques LIVAGE

Comment la matière divisée, puis condensée et organisée
est devenue vivante puis pensante ?


    L’aventure de la matière a commencé il y a près de 14 milliards d’années lorsque, quelques minutes après le big-bang, les premières particules élémentaires, les quarks, sont apparues. Au sein d’un univers en expansion, elle a conduit à la formation des atomes, des molécules, de la poussière interstellaire, puis des astres et des galaxies. Au cours de ce périple, la matière divisée des origines s’est progressivement condensée et complexifiée pour conduire à l’univers tel que nous le connaissons aujourd’hui. Certains processus ont été particulièrement rapides, les noyaux atomiques par exemple, se sont formés au cours des premières minutes, tandis que d’autres sont issus d’une longue maturation. Il a fallu attendre plus de 300.000 ans pour que se forment les premiers atomes et neuf milliards d’années pour  que naisse la Terre.
    La longue histoire de la matière a conduit à la formation des roches minérales et des molécules organiques. Sur notre planète, elle a donné naissance à la matière vivante et même à la matière pensante. Comment la chimie, science de la matière, permet de décrire cette aventure ?  C’est ce que nous allons tenter de montrer au cours de cet exposé.
    Pendant des siècles, on a pensé que la matière était constituée des quatre éléments d’Aristote, la terre, l’eau, l’air et le feu. Ce n’est qu’au XVIIIe siècle que l’on a montré que, comme le prédisait Démocrite, elle était formée d’atomes. Pendant plus d’un siècle, les chimistes se sont attachés à découvrir de nouveaux éléments. C’est ainsi qu’au cours de ses travaux sur la combustion, Lavoisier mit en évidence l’existence de l’oxygène mettant ainsi fin à la théorie du ‘phlogistique’ [1]. À la fin du XIXe siècle, avec l’établissement du tableau périodique des éléments, le chimiste disposait enfin des briques nécessaires pour transformer la matière.
    Deux éléments, le silicium et le carbone, vont nous permettre de comprendre comment s’est formée la matière. Le premier, le silicium, a conduit à la formation des roches. La silice et les silicates représentent 90% des minéraux de la croûte terrestre. Le second, le carbone a conduit aux molécules organiques qui ont donné naissance au vivant. Le secret de cette évolution réside dans l’auto-organisation. Les atomes ne sont pas indépendants les uns des autres. Ils s’attirent mutuellement via la liaison chimique et se lient dans l’espace selon des règles bien définies. Ainsi, selon Niels Bohr, les électrons gravitent autour du noyau en se répartissant sur des couches successives. Les électrons qui occupent la dernière couche, dite ‘couche de valence’, jouent un rôle privilégié car ils sont susceptibles d’interagir avec les atomes voisins pour former une liaison chimique. Le silicium, comme le carbone possèdent quatre électrons de valence ce qui les conduit à former quatre liaisons chimiques, d’où la tétravalence caractéristique de ces deux éléments.

    C’est ainsi que, dans les silicates, l’atome de silicium se lie à quatre atomes d’oxygène. Selon l’enchainement  des tétraèdres [SiO4] on obtient des fibres d’amiante, des feuillets d’argile ou des cristaux de quartz. Dans tous les cas, l’enchainement peut se poursuivre à l’infini donnant des solides qui constituent l’essentiel des matériaux que nous utilisons pour élaborer des verres ou des céramiques.
    Le carbone a un comportement légèrement différent. Il est capable de former des doubles liaisons carbone-carbone. Cela limite le nombre de voisins auxquels il se lie. On passe ainsi du cristal de diamant dans lequel chaque atome de carbone est lié à quatre voisins aux feuillets de graphite dans lesquels il n’en a plus que trois. De nouvelles formes du carbone ont été mises en évidence au cours des dernières décennies ; graphène, nanotubes, fullerène...
    Toute la richesse de la chimie organique est liée à l’aptitude du carbone à former des doubles ou triples liaisons conduisant ainsi à la formation de molécules plutôt que de solides. C’est toute la richesse de la synthèse organique initiée par Marcelin Berthelot dans son ouvrage La chimie organique fondée sur la synthèse paru en 1860. L’homme enfin avait vaincu la ‘force vitale’ et devenait capable de transformer la matière et même d’en créer de nouvelles formes. Sera-t-il capable de recréer la vie ? C’est là le pari de la ‘biologie de synthèse’ qui a pour objet de synthétiser les molécules du vivant et de les associer pour former une protocellule, première forme de vie sur terre !


[1] Terme savant forgé sur le grec phlogiston « inflammable » et phlox « flamme », pour désigner une hypothétique substance fluide qu’on croyait être constitutive de la chaleur et qui aurait expliqué le phénomène de la combustion.  Terme savant forgé sur le grec phlogiston « inflammable » et phlox « flamme », pour désigner une hypothétique substance fluide qu’on croyait être constitutive de la chaleur et qui aurait expliqué le phénomène de la combustion.

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7 juin 2007
Détection du quasar le plus lointain grâce au télescope Canada-France-Hawaii

Un quasar à 13 milliards d'années-lumière de nous, tel est le trou noir le plus lointain qui vient d'être découvert grâce au télescope Canada-France-Hawaii(1). C'est une équipe internationale menée par Chris Willott de l'Université d'Ottawa et comprenant, notamment, des chercheurs de l'Institut d'Astrophysique de Paris et du Laboratoire d'AstrOphysique de Grenoble (unités mixtes de recherche du CNRS et des Universités Pierre et Marie Curie et Joseph Fourier)(2) qui a détecté ce quasar, mais aussi 3 autres quasars très lointains. La découverte d'un objet aussi lointain alors que l'Univers avait moins d'un milliard d'années permet d'obtenir des informations sur l'importante phase de l'histoire de l'Univers où les galaxies, étoiles et trous noirs ont commencé à se former très rapidement Ce résultat est présenté, le 7 juin, par Chris Willott dans le cadre de la conférence annuelle de la Société Canadienne d'Astronomie (CASCA 2007) à Kingston, Ontario.
Ces quasars sont en fait des galaxies qui possèdent un trou noir super-massif en leur centre. La matière entourant le trou noir est attirée et en tombant au centre s'échauffe et devient extrêmement lumineuse, d'où la possibilité d'observer des objets aussi lointains. XML CODE REMOVED
 
Ces quasars, se situant à de très grandes distances, ont été découverts dans le cadre d'une recherche systématique des quasars les plus lointains, projet intitulé "Canada-France High-z Quasar Survey" (CFHQS), qui utilise la caméra MegaCam au foyer MegaPrime[1] du Télescope Canada-France-Hawaï (CFHT). Les astronomes ont réussi, parmi les millions d'étoiles et de galaxies observés dans le cadre de ce projet, à détecter les quatre objets qui s'avèrent être des quasars très lointains[2].
 
Le quasar le plus lointain, jamais observé, a été nommé CFHQS J2329-0301 d'après sa position dans le ciel (il se trouve dans la constellation des Poissons). L'équipe, conduite par Chris Willott, a utilisé le télescope de 8 m Gemini-Sud au Chili pour obtenir un spectre de ce quasar. Il a un décalage spectral de 6,43 (le précédent record était de 6.42 !) et Chris Willot a pu dire : "dès que j'ai vu le spectre avec sa prodigieuse raie d'émission, j'ai su que nous tenions un quasar particulièrement lointain". La lumière de ce quasar a mis près de 13 milliards d'années pour nous parvenir. Comme le Big Bang s'est produit il y a 13,7 milliards d'années, ceci signifie que nous voyons le quasar tel qu'il était moins d'un milliard d'années après le Big Bang.
 
L'intérêt de cette découverte réside dans le fait que plus le quasar est éloigné de la Terre, plus il est près du début de l'Univers. Durant les premières centaines de millions d'années l'Univers était obscur parce qu'il n'y avait ni étoiles ni galaxies, et les atomes étaient alors tous neutres. Puis les premières étoiles et galaxies ont commencé à briller et leur lumière a causé un processus connu sous le nom de ré-ionisation de l'Univers, où tous les atomes ont été ionisés. La quête des informations permettant de caractériser ce processus et son époque précise est aujourd'hui l'un des objectifs majeurs de l'astronomie. Comme le quasar est très brillant, sa lumière peut être utilisée comme source d'arrière-plan pour sonder les propriétés du gaz qui se situe entre lui et nous à cette époque de ré-ionisation.
 
On pense que le trou noir au sein de ce quasar a une masse d'environ 500 millions de fois la masse du Soleil. Alain Omont de l'Institut d'Astrophysique de Paris (CNRS et Université Pierre et Marie Curie), membre de l'équipe fait remarquer que, "outre l'utilisation de la douzaine de quasars de ce type connus pour étudier la ré-ionisation de l'Univers, ils permettent aussi de repérer certaines des premières galaxies massives à s'être formées dans l'Univers".  "Nous aimerions savoir dans quels types de galaxies vivent ces quasars", ajoute-t-il.
 
L'équipe prépare maintenant d'autres observations du quasar avec notamment l'obtention d'un spectre infrarouge avec Gemini et l'observation du gaz interstellaire du quasar à l'Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM : CNRS-MPG-IGN).

 Avec cette découverte, le télescope de 3,6 m du CFHT conforte sa position à la pointe de l'imagerie à grand champ de l'Univers lointain. Elle démontre aussi la puissance de télescopes de taille relativement modeste comme le CFHT comme machine à découvrir pour alimenter les télescopes de la classe des 8-10m avec des objets fascinants à observer.

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LBT : premiers clichés du plus puissant télescope terrestre

Au terme de huit ans de construction, le grand télescope binoculaire LBT, situé sur le mont Graham en Arizona, a ouvert l'un de ses yeux et a fourni le 12 Octobre dernier ses premiers clichés. Ceux-ci concernent la galaxie en spirale NGC891, située à 24 millions d'années-lumière de la Terre, dans la constellation d'Andromède. Pour les astronomes, le miroir de 8,4 mètres de diamètre du télescope a délivré des images d'une acuité remarquable, et a prouvé que le LBT est apte à relever son défi : surpasser Hubble et se poser en concurrent direct des réseaux interférométriques géants Keck et VLT.

Astronome dans la salle de contrôle du LBT, le 12 Octobre 2005
Crédit : Large Binocular Telescope Corporation

LBT : le concurrent direct des grands interféromètres actuels
« Le LBT nous ouvrira de nouvelles possibilités dans l'exploration des planètes extrasolaires », se sont enthousiasmés Thomas Henning et Tom Herbst, de l'institut Max Planck d'Heidelberg, après observation des premières images délivrées par le télescope.
Inauguré en octobre 2004, le LBT (Large Binocular Telescope) est le fruit d'un projet commun des universités et d'une quinzaine de laboratoires et instituts de recherche américains, allemands et italiens. D'un coût global de 120 millions de dollars, il a été financé à hauteur de 50% par les Etats-Unis.
Construit sur un bâti d'élévation azimutale de près de 380 tonnes, il accueille deux miroirs en verre borosilicaté de 331 pouces de diamètre (8,4 mètres), espacés centre à centre de 14,4 mètres. Par soucis d'allègement de la masse de verre, le moule utilisé pour leur fabrication était constitué de mille six cents tuiles réfractaires dessinant une structure en nid d'abeille, dans laquelle on a « coulé » le verre porté à 1100 degrés celsius. Grâce à ce protocole révolutionnaire, ces miroirs de 16 tonnes chacun sont aujourd'hui les plus légers en regard de leur diamètre, mais aussi les plus grands de type alvéolés jamais construits (le précédent record était détenu par les deux télescopes Magellan, de 6,5 mètres de diamètre). En outre, ils sont également les plus lumineux : avec une focale de 9,5 m, leur rapport focale sur diamètre n'est que de 1,14 !

Miroir primaire du LBT, de 8,4 mètres de diamètre 
Crédit : Large Binocular Telescope Corporation
Si chaque miroir constitue à lui seul un télescope performant, l'objectif du LBT est de fonctionner comme interféromètre. En effet, dans cette configuration optique, il permet d'égaler la résolution d'un télescope de 22,8 mètres de diamètre.

Si les performances d'imagerie des grands interféromètres actuels (VLT, Keck…) restent limitées aux astres brillants et aux formes simples, du fait de leur haute dilution optique (le rapport entre le diamètre virtuel et la surface optique réelle), le LBT, quant à lui, avec son diamètre équivalent de 22,8 mètres pour une surface optique de 11,8 mètres, doit permettre de photographier en temps réel les corps célestes éloignés. Ainsi, en mode interférométrique, ses clichés devraient être dix fois plus clairs que ceux du télescope spatial Hubble.

Des premiers clichés très encourageants
Dans la nuit du 12 Octobre, pour sa première expérimentation, le télescope s'est tourné vers la constellation d'Andromède, et plus précisément vers la galaxie NGC891, qui s'étend à 24 millions d'années lumière de la Terre. Ces clichés exceptionnels ont été obtenus avec l'un des miroirs primaires du télescope, le second ayant été récemment transporté de l'université de l'Arizona vers le mont Graham.
Les images ont été capturées à l'aide d'un « appareil photo » dernier cri connu sous le nom de Large Binocular Camera (LBC), placé en surplomb du miroir primaire, au foyer principal du télescope. Conçu par les collaborateurs italiens, le LBC agit comme un appareil photo numérique d'une précision remarquable de 36 mégapixels (en regard des 5 mégapixels en moyenne des appareils-photo "du commerce"). 

D'après ses créateurs, le LBT sera totalement opérationnel en 2006, et pourra ouvrir grands ses yeux sur la création de l'univers. Avec ses performances inégalées, il permettra aux astronomes d'observer des galaxies éloignées avec une précision et une clarté encore jamais obtenues et permettra assurément des avancées significatives sur le mécanisme de création des étoiles et l'observation des confins de l'univers.

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