Les métamatériaux : plus rien ne les arrête
    •    Posté le : Lundi 7 Décembre 2009
   
Matériaux invisibles, antennes "intelligentes",... les métamatériaux sont parés de vertus qui paraissent tout droit sorties de la science-fiction. Leur secret : grâce à leur structure, ils se jouent des lois habituelles de l'électromagnétisme.

Premier modèle de cristal photonique, développé par des physiciens américains.
© U.S. Dept. of Energy's Ames Laboratory
Pendant plus de cent ans, la loi était gravée dans le marbre de la physique : un microscope optique, aussi puissant soit-il, ne peut pas permettre de visualiser les détails d’un objet plus petit que la longueur d’onde de la lumière avec laquelle on l’observe. Dans le jargon des physiciens, cette loi porte même un nom : c’est la limite de diffraction. Impossible de passer outre, donc.
Jusqu’en 2005. Cette année-là, Xiang Zhang, physicien à l’université de Californie à Berkeley, rend public les images d’un mot minuscule gravé sur une couche de polymères, "NANO". Ces images ont été prises avec un microscope optique. Et, chose incroyable, elles présentent des détails d’environ 40 nanomètres. C’est dix fois inférieur à ce qu’autorise en théorie la limite de diffraction !


Vue d'artiste de métamatériaux (3D)
© Harald Giessen / Physikalisches Institut, Uni Stuttgart / R. Noack, MPI FKF
L’astuce de Xiang Zhang ? Il a équipé son microscope optique d’un métamatériau, construisant ainsi une "super lentille" capable de dépasser la limite de diffraction de la lumière. Les métamatériaux sont en effet des matériaux composites se comportant vis-à-vis des ondes électromagnétiques comme aucun matériau dans la nature. Et, mystifier la soi-disant inébranlable limite de diffraction n’est qu’une de leurs actions. Ils suscitent actuellement l’engouement du monde académique en raison des applications futuristes qu’ils promettent dès aujourd’hui : invisibilité, composants optiques inégalés, lentilles planes… et même des boucliers "antisismiques" (partie 1) !
André de Lustrac, professeur à l’Institut d'électronique fondamentale d'Orsay, est un des pères des métamatériaux en France. Il nous a entrouvert la porte de son laboratoire et nous a dévoilé quelques-unes des réalisations, actuelles et futures, de son équipe (partie 2). Parmi elles, des antennes dites intelligentes parce qu’elles renvoient à la préhistoire les antennes standard qui servent à la téléphonie mobile (partie 3).
01.L’INVISIBILITÉ

(a) Simulation d'une cape d'invisibilité fonctionnant à 11GHz et dissimulant un objet métallique cylindrique en son centre. (b) La cape réalisée à l'IEF d'Orsay.
© B. Kanté / IEF
La promesse la plus fascinante des métamatériaux est celle de l’invisibilité. Et pour une fois, point de "c’est trop beau pour être vrai". Les physiciens spécialistes du sujet s’accordent pour dire que d’ici une dizaine d’années, on parviendra à rendre invisible un objet à l’aide de métamatériaux. Ils ont même déjà leur petite idée sur la façon de s’y prendre. Ils imaginent fabriquer une "cape d’invisibilité" qui obligerait les rayons lumineux incidents à contourner l’objet, puis à reprendre leur course normale. Avec une telle cape, tout se passerait comme si les rayons traversaient l’objet "invisible".
En fait, depuis 2006, les progrès dans les métamatériaux ont déjà permis de fabriquer une cape d’invisibilité, mais limitée au domaine des micro-ondes. Cette année-là, John Pendry, physicien à l’Imperial College de Londres, David Schurig et David Smith, de l’université Duke, aux États-Unis, ont présenté un dispositif incroyable : il protégeait un petit objet en cuivre en le rendant invisible aux ondes radio. Le dispositif n’avait de cape que le nom, puisqu’il était constitué de cylindres concentriques. Ses propriétés magiques découlaient de minces fils électriques en forme de boucles imprimés sur les cylindres de verre. Par un jeu d’interférence entre les ondes incidentes et les ondes réémises au passage des boucles, les micro-ondes arrivant sur la cape étaient détournées, rendant le cuivre invisible.
Depuis, d’autres équipes ont emboîté le pas à Pendry et ses collègues, cherchant à faire fonctionner une cape dans le domaine visible. Fin 2009, le succès n’est toujours pas au rendez-vous, mais la prouesse réalisée par Michal Lipson en début d’année nous en rapproche à grands pas. Cette physicienne de l’université Cornell, aux États-Unis, est parvenue à "effacer" une bosse sur une plaque de silicium sous un éclairage infrarouge. L’origine de cette propriété ? De minuscules perforations réalisées dans la plaque, capables d’altérer la réflexion des ondes infrarouges.
Plus "tapis" d’invisibilité que cape, le dispositif de Lipson a le mérite de démontrer que le principe d’invisibilité fonctionne dans l’infrarouge, autrement dit à des longueurs d’ondes 10 000 fois inférieures à celles des micro-ondes. C’était se rapprocher d’autant d’une invisibilité dans le domaine "visible" où les longueurs d’ondes sont encore plus petites. Or, la longueur d’onde de la lumière incidente détermine directement la taille des éléments actifs des métamatériaux (la taille de trous dans l’expérience de Lipson). En clair, plus la longueur d’onde est petite, plus les trous - ou encore les éléments actifs - seront petits. D’où la difficulté d’obtenir une invisibilité dans le visible : il faudra construire des métamatériaux à l’échelle nanométrique, ce que les chercheurs envisagent d’ici cinq à dix ans.

Modèle de bouclier anti vague (20 cm de diamètre). Un prototype à grande échelle est en cours de définition avec des hydrodynamiciens.
© S. Enoch / CNRS
Toutefois, les premières applications de l’invisibilité pourraient bien voir le jour avant d’atteindre cet horizon. Mais par d’autres chemins que l’invisibilité optique, en empruntant cette fois la voie de la mécanique ! À l’Institut Fresnel de Marseille, Sébastien Guenneau et Stefan Enoch ont inventé un bouclier anti… vagues. Il s’agit en fait d’un disque hérissé de petits plots savamment agencés. Plongés dans un fluide dont la surface est agitée, les plots créent des interférences destructrices entre vagues. Résultat : le centre du disque, où règne un calme olympien, est isolé de la tempête.
Construit à grande échelle, sous la forme d’un réseau de pylônes, un tel système pourrait protéger une plate-forme pétrolière ou une zone côtière contre une mer en furie, voire des tsunamis. Fixés au sol, ces plots de béton font plusieurs mètres de diamètre et sont espacés de plusieurs dizaines de mètres. Leur agencement est en effet adapté à la longueur d'onde de la houle, soit plusieurs dizaines de mètres. Les chercheurs de Marseille ont développé la même idée pour protéger des bâtiments de certaines ondes sismiques.
02.LES SCULPTEURS D'ONDES

Métamatériaux nanométriques réalisés à l'IEF, composés de fils d'or sur du silicium. (a) Détail de la cellule élémentaire (600nmx600nm). (b) Réseau réalisé.
© B. Kanté / IEF
Trois voies de recherche se dessinent pour les mématériaux : les composants optiques, l’invisibilité et les antennes émettrices "intelligentes". À l’Institut d’électronique fondamentale d’Orsay, le groupe CRIME (Cristaux photoniques et métamatériaux) a choisi d’emprunter la troisième. Cette équipe pionnière dans les métamatériaux façonne le rayonnement électromagnétique comme d’autres la pierre ou le métal. Parmi ses œuvres on trouve une version améliorée de la cape d’invisibilité de Pendry (permettant de rendre invisible aux micro-ondes des objets quatre fois plus gros), mais surtout, des nouveaux types d’antennes capables de prouesses comme de n’émettre que dans une unique direction ou de changer de fréquence à volonté.
Comment fabrique-t-on des métamatériaux ? Le travail du CRIME relève de l’électronique de précision. Les métamatériaux qui sont développés et produits dans son laboratoire sont formés pour l’essentiel de fins motifs métalliques (dont l’épaisseur peut flirter avec la dizaine de nanomètres, soit dix milliardièmes de mètre) déposés à la surface d’un substrat transparent aux ondes électromagnétiques. Le substrat peut être constitué de matériaux durs comme du silicium ou du verre. Mais l’équipe envisage aussi de réaliser bientôt ces métamatériaux sur des feuilles souples diélectriques (fabriquées par exemple en résine) longues de plusieurs mètres. Telles des sortes de "papiers peints", ces feuilles pourraient venir recouvrir des objets aux dimensions variées, rendant totalement invisible l’antenne aux regard des hommes.
L’épaisseur des films et leur géométrie sont des paramètres capitaux, déterminés au bout d’intenses efforts de calculs, comme le souligne le directeur du CRIME, André de Lustrac : "Quand un nouveau thésard arrive, mon premier geste est de lui commander un nouvel ordinateur superpuissant. La conception et l’optimisation des paramètres d’un seul matériau demandent souvent plusieurs jours, voire plusieurs semaines de calculs numériques."
Plus concrètement, l’équipe a conçu récemment une antenne directive en partenariat avec des chercheurs de France Télécom menés par Jean-Pierre Blot. L’idée était de réduire l’impact visuel des "peignes géants" qui coiffent certains toits. Ces fameuses antennes pour téléphonie mobile sont constituées de quatre tiges de plusieurs mètres de haut placées aux quatre coins du toit. Pari réussi pour André de Lustrac : l’antenne qu’il a développée avec son équipe et les partenaires du projet se réduit à un seul élément, de soixante centimètres de haut et de cinquante centimètre de diamètre. Les métamatériaux utilisés ont permis de réduire la puissance globale émise en focalisant les ondes de téléphonie dans telle ou telle direction en fonction de la position des abonnés, plutôt qu’en inondant d’ondes la zone comme le fait une antenne classique. L’économie de puissance s’est traduite par une réduction de taille de l’antenne.
Encore au stade de prototype, le dispositif a été confié au Centre de recherche mutualisé sur les antennes, à la Turbie (Alpes-Maritimes), laboratoire commun entre le CNRS et France Télécom. En attendant peut-être une utilisation dans le cadre de la prévention contre les rayonnements électromagnétiques. À l’heure en effet où ces rayonnements sont soupçonnés de nocivité, un meilleur contrôle sur le champ d’émission des ondes est un atout. Dans un futur proche, les antennes de téléphonie à base de métamatériaux pourraient éviter que les habitations soient noyées sous une pluie d’ondes. Elles permettraient qu’en milieu urbain, les émissions se concentrent principalement dans les rues !
03.LES APPLICATIONS FUTURES DES MÉTAMATÉRIAUX DANS LES TÉLÉCOMS ET LES TRANSPORTS

Radomes contrôlables cylindrique (a) et sphérique (b), en test dans les laboratoires d'EADS IW à Suresnes.
© P. Cailleux / EADS IW
"En déplacement". Si André de Lustrac est rarement dans son bureau, c’est la faute aux nombreux partenariats avec l’industrie que son laboratoire a tissés. En témoigne le dispositif dont il vient d’achever la réalisation en collaboration avec Gérard-Pascal Piau du laboratoire de recherche d'EADS Innovation Works (IW). Précisément, il ne s’agit pas d’une antenne, mais de l’enveloppe qui en abrite une : le radôme, grosse boule située sur le nez des avions. Cuirasse du radar météo, il le défend contre les intempéries et les éclairs.
Pour renforcer le rôle protecteur des radômes des airbus, EADS souhaitait pouvoir les rendre opaques ou transparents à volonté. Dans la même logique que ces lunettes de soleil qui s’assombrissent en plein soleil, les physiciens du CRIME sont parvenus à développer un revêtement à la transparence variable vis-à-vis des ondes radar. Ils ont adapté leurs techniques de contrôle des ondes radio par métamatériaux à la forme sphérique et surtout à la taille (30 centimètres de diamètre) du radôme. Les prototypes d’André de Lustac ont été testés avec succès au centre d’essai d’EADS IW à Suresnes.
Une antenne développée par CRIME devrait elle aussi voyager à grande vitesse, mais à terre cette fois. Destinée aux liaisons mobiles des transports en commun, elle se veut une réponse au frustrant "Je te rappelle, je vais passer dans un tunnel". Pour résoudre ce problème de l’homo modernicus, André de Lustrac, envisage de construire une antenne ultra-directrice. Camouflée dans la carlingue du véhicule, elle serait capable, en entrant dans un tunnel, de concentrer la puissance d’émission des ondes vers l’arrière ou l’avant du véhicule afin d’éviter la perte de connexion avec le réseau. Comme l’antenne développée avec France Télécom, de telles antennes sont dites "intelligentes" par opposition aux modèles standard qui arrosent toute une zone. À la sortie du tunnel, l’antenne retrouverait son fonctionnement "standard". Le projet, auquel l’ANR vient d’apporter son soutien, est le fruit d’une collaboration avec Alsthom, l’Inrets (Institut national de recherche sur les transports et leur sécurité) et les universités de Brest et Rennes. Avant d’équiper les trains français, les futures antennes devraient peut-être un jour se retrouver dans les rames de métro de Shanghai, ville avec qui Alsthom a un partenariat.
André de Lustrac a d’autres fers au feu, comme le développement d'un vêtement "intelligent" dont l’étoffe servirait d’antenne télé. Il suffirait de brancher un écran portable sur une prise camouflée dans une poche pour capter la télévision numérique. Le projet, lancé avec France Télécom et deux équipes de l’université de Rennes, est plus complexe qu’il n’y paraît… "Pour caser une antenne dans un vêtement, il nous faut explorer des structures souples pour fabriquer nos métamatériaux. En outre, il faut tenir compte du corps humain," décrit le chercheur. En particulier, à cause de sa haute teneur en eau, le corps humain a tendance à focaliser les ondes électromagnétiques. De quoi complexifier le calcul des métamatériaux qui joueront le rôle d’antenne. Pour y parvenir, André de Lustrac sera peut-être amené à prendre conseil auprès d’autres laboratoires qui planchent eux aussi sur les métamatériaux. Des laboratoires où il a ses… antennes.

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Paris, 1er décembre 2014

Planck : nouvelles révélations sur la matière noire et les neutrinos fossiles
La collaboration Planck, qui implique notamment le CNRS, le CEA, le CNES et plusieurs universités françaises, dévoile à partir d'aujourd'hui à la conférence de Ferrara (Italie) les résultats des quatre années d'observation du satellite Planck de l'Agence spatiale européenne (ESA), dédié à l'étude du « rayonnement fossile », la plus vieille lumière de l'univers. Pour la première fois, la plus ancienne image de notre univers est mesurée précisément selon deux paramètres de la lumière (en intensité et en polarisation1), sur l'ensemble de la voûte céleste. Cette lumière primordiale nous permet de « voir » les particules les plus insaisissables : la matière noire et les neutrinos fossiles.
De 2009 à 2013, le satellite Planck a observé le rayonnement fossile, la plus ancienne image de l'univers, encore appelé fonds diffus cosmologique. Aujourd'hui, avec l'analyse complète des données, la qualité de la carte obtenue est telle que les empreintes laissées par la matière noire et les neutrinos primordiaux, entre autres, sont clairement visibles.

Déjà, en 2013 la carte des variations d'intensité lumineuse avait été dévoilée, nous renseignant sur les lieux où se trouvait la matière 380 000 ans après le Big-Bang. Grâce à la mesure de la polarisation de cette lumière (pour le moment dans 4 des 7 canaux2), Planck est capable de voir comment cette matière bougeait. Notre vision de l'univers primordial devient alors dynamique. Cette nouvelle dimension et la qualité des données permettent de tester de nombreux paramètres du modèle standard de la cosmologie. En particulier, elles éclairent aujourd'hui ce qu'il y a de plus insaisissable dans l'univers : la matière noire et les neutrinos.

De nouvelles contraintes sur la matière noire
 
Les résultats de la collaboration Planck permettent à présent d'écarter toute une classe de modèles de matière noire, dans lesquels l'annihilation matière noire - antimatière noire serait importante. L'annihilation entre une particule et son antiparticule3 désigne la disparition conjointe de l'une et de l'autre, qui s'accompagne d'une libération d'énergie.

L'idée de matière noire commence à être largement admise mais la nature des particules qui la composent reste inconnue. Les modèles sont nombreux en physique des particules et l'un des buts aujourd'hui est de réduire le champ des possibles en multipliant les voies d'exploration, par exemple en recherchant des effets de cette matière mystérieuse sur la matière ordinaire et la lumière. Les observations de Planck montrent qu'il n'est pas nécessaire de faire appel à l'existence d'une forte annihilation matière noire - antimatière noire pour expliquer la dynamique des débuts de l'univers. En effet, un tel mécanisme produirait une quantité d'énergie qui influerait sur l'évolution du fluide lumière-matière, en particulier aux périodes proches de l'émission du rayonnement fossile. Or, les observations les plus récentes n'en portent pas la trace.

Ces nouveaux résultats sont encore plus intéressants lorsqu'ils sont confrontés aux mesures réalisées par d'autres instruments. Les satellites Fermi et Pamela, tout comme l'expérience AMS-02 à bord de la station spatiale internationale, ont observé un excès de rayonnement cosmique, pouvant être interprété comme une conséquence de l'annihilation de matière noire. Compte tenu des résultats de Planck, il va falloir préférer une explication alternative à ces mesures d'AMS-02 ou de Fermi  (par exemple l'émission de pulsars non détectés) si l'on fait l'hypothèse – raisonnable – que les propriétés de la particule de matière noire sont stables au cours du temps.

Par ailleurs, la collaboration Planck confirme que la matière noire occupe un peu plus de 26 % de l'univers actuel (valeur issue de son analyse en 2013), et précise la carte de la densité de matière quelques milliards d'années après le Big-Bang, grâce aux mesures en température et en polarisation en modes B.

Les neutrinos des premiers instants décelés

Les nouveaux résultats de la collaboration Planck portent aussi sur un autre type de particules très élusives : les neutrinos. Ces particules élémentaires « fantômes », produites en abondance dans le Soleil par exemple, traversent notre planète pratiquement sans interaction, ce qui rend leur détection extrêmement difficile. Il n'est donc pas envisageable de détecter directement les premiers neutrinos, produits moins d'une seconde après le Big-Bang, qui sont  extrêmement peu énergétiques. Pourtant, pour la première fois, Planck a détecté sans ambiguïté l'effet de ces neutrinos primordiaux sur la carte du rayonnement fossile.

Les neutrinos primordiaux décelés par Planck ont été libérés une seconde environ après le Big-Bang, lorsque l'univers était encore opaque à la lumière mais déjà transparent à ces particules qui peuvent s'échapper librement d'un milieu opaque aux photons, tel que le cœur du Soleil. 380 000 ans plus tard, lorsque la lumière du rayonnement fossile a été libérée, elle portait l'empreinte des neutrinos car les photons ont interagi gravitationnellement4 avec ces particules. Ainsi, observer les plus anciens photons a permis de vérifier les propriétés des neutrinos.

Les observations de Planck sont conformes au modèle standard de la physique des particules. Elles excluent quasiment l'existence d'une quatrième famille de neutrinos5 auparavant envisagée d'après les données finales du satellite WMAP, le prédécesseur américain de Planck. Enfin, Planck permet de fixer une limite supérieure à la somme des masses des neutrinos, qui est à présent établie à 0.23 eV (électronvolt)6.


Les données de la mission complète et les articles associés qui seront soumis à la revue Astronomy & Astrophysics (A&A) seront disponibles dès le 22 décembre 2014 sur le site de l'ESA. Ces résultats sont notamment issus des mesures faites avec l'instrument haute fréquence HFI conçu et assemblé sous la direction de l'Institut d'astrophysique spatiale (CNRS/Université Paris-Sud) et exploité sous la direction de l'Institut d'astrophysique de Paris (CNRS/UPMC) par différents laboratoires impliquant le CEA, le CNRS et les universités, avec des financements du CNES et du CNRS.

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Paris, 6 novembre 2014

Le CNRS, acteur majeur de la mission Rosetta

Dans une semaine, le 12 novembre, entre 17h et 17h30, l'atterrisseur Philae de la sonde Rosetta de l'Agence spatiale européenne (ESA) tentera de se poser sur la comète 67P-Churyumov-Gerasimenko. Une mission périlleuse et inédite grâce à laquelle des scientifiques, notamment du CNRS et de différentes universités françaises, comptent lever le voile sur certains des mystères de nos origines. Le CNRS a participé à l'élaboration de treize instruments scientifiques de la mission, dont trois pour lesquels il est leader. Partout en France, il sera possible de suivre en direct cette première mondiale, qui sera retransmise en vidéo sur : www.insu.cnrs.fr/fr/Rosetta (en partenariat avec la Cité des sciences et de l'industrie et le CNES). Des chercheurs et ingénieurs du CNRS seront notamment mobilisés ce jour-là pour répondre, en direct sur Twitter avec #PoseToiPhilae, aux questions du public sur la mission et ses enjeux scientifiques.
La mission Rosetta de l'ESA a pour objectif de recueillir des données sur la composition et les propriétés du noyau de la comète 67P-Churyumov-Gerasimenko. Si Rosetta est arrivée à destination le 6 août dernier en se mettant en orbite autour de la comète, ce n'est pas encore le cas de son petit atterrisseur, Philae, qui essaiera de se poser le 12 novembre sur celle-ci. Ce sera la première fois qu'un atterrissage sera tenté sur un noyau cométaire !

La sonde Rosetta est équipée de 21 instruments scientifiques qui permettent d'effectuer un ensemble de mesures précises et complémentaires : composition chimique des matériaux de la surface, structure interne et composition du noyau, images directes et indirectes à différentes longueurs d'ondes, dynamique des émissions de poussières et leurs types, dégazage de surface, magnétisme, etc.

Le CNRS contribue à treize instruments de Rosetta : huit sur la sonde qui est en orbite autour de 67P-Churyumov-Gerasimenko, quatre sur l'atterrisseur Philae et un (CONSERT) présent à la fois sur l'orbiteur et l'atterrisseur. Le CNRS est leader de trois d'entre eux : CIVA, RPC-MIP (tous deux sur Philae) et CONSERT. C'est notamment l'instrument CIVA qui devrait prendre les premiers clichés de la surface de la comète. Rosetta est un véritable couteau suisse scientifique développé par un consortium international de laboratoires et agences (Europe et Etats-Unis). L'étude de l'environnement externe et interne de la comète permettra d'en savoir plus sur ces « boules de neige sales », et donc sur la formation du Système solaire et nos origines.

Les laboratoires français impliqués dans Rosetta-Philae :
•    CRPG (CNRS/Université de Lorraine)
•    CSNSM (CNRS/Université Paris-Sud)
•    GET (CNRS/IRD/Université Paul Sabatier - Toulouse III)
•    IAS (CNRS/Université Paris-Sud)
•    ICN (CNRS/Université Nice Sophia Antipolis)
•    IPAG (CNRS/Université Joseph Fourier)
•    IRAP (CNRS/Université Paul Sabatier - Toulouse III)
•    LAM (CNRS/AMU)
•    LAAS (CNRS)
•    LATMOS (CNRS/UPMC/UVSQ)
•    LERMA (Observatoire de Paris/CNRS/ENS/Université Cergy Pontoise/UPMC)
•    LESIA (Observatoire de Paris/CNRS/Université Paris Diderot/UPMC)
•    LISA (CNRS/Université Paris Diderot/UPEC)
•    LPC2E (CNRS/Université d'Orléans)
•    LPP (École Polytechnique/CNRS/Université Paris-Sud/UPMC)

Suivez en direct la tentative d'atterrissage de Philae sur la comète dans différents lieux en France notamment à Paris :
Cité des sciences et de l'industrie, en partenariat avec le CNRS, l'ESA, le CNES et l'Observatoire de Paris (entrée libre et gratuite le 12/11 à partir de 15h).

Le CNRS est également présent dans d'autres événements prévus ce jour-là, notamment à Toulouse, au Bourget, à Grenoble, à Orléans et à Marseille.

… mais également sur Internet sur : http://www.insu.cnrs.fr/fr/Rosetta

Sur cette page web, vous pourrez suivre en direct et en vidéo l'atterrissage de Philae sur la comète et poser vos questions sur Twitter concernant la science faite grâce à Rosetta, ses enjeux et les futures étapes. Toute la journée du 12 novembre, des chercheurs et ingénieurs du CNRS seront mobilisés pour répondre aux questions du public sur Twitter. Pour cela, envoyez vos questions en utilisant le mot-clic #PoseToiPhilae.

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Paris, 17 octobre 2014

La formation des jets stellaires à grande échelle enfin expliquée

Grâce à un dispositif expérimental breveté et à des simulations numériques de grande ampleur, des chercheurs sont parvenus à expliquer la formation des jets émis par les jeunes étoiles, et ce, en très bon accord avec les observations astrophysiques. Ce modèle, qui fait intervenir le champ magnétique interstellaire, a été élaboré par une collaboration internationale1 menée par des équipes françaises du Laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses (LULI, CNRS/École Polytechnique/UPMC/CEA), du Laboratoire d'études du rayonnement et de la matière en astrophysique et atmosphères (LERMA, Observatoire de Paris/CNRS/UPMC/Université de Cergy-Pontoise/ENS Paris) et du Laboratoire national des champs magnétiques intenses (LNCMI, CNRS). Leurs travaux sont publiés dans la revue Science le 17 octobre 2014.
Les jets astrophysiques sont d'étroits pinceaux de matière qui peuvent se propager sur de grandes distances (des centaines de fois la distance Terre-Soleil). Ils sont omniprésents dans l'Univers, émergeant d'objets célestes aussi variés que les étoiles en formation, les naines blanches, les étoiles à neutrons, ou les trous noirs, dont le point commun est d'amasser activement de la matière depuis leur proche environnement, via un disque de matière en rotation. Bien que spectaculaires, les jets ont longtemps été considérés comme de simples sous-produits de ce processus d'accrétion de matière. Toutefois, les physiciens ont peu à peu réalisé qu'ils jouent en réalité un rôle crucial dans ce phénomène. Par exemple, les jets qui s'échappent des pôles d'une étoile naissante ralentissent la rotation du gaz en train de s'effondrer sur le noyau central, permettant à la matière de continuer à s'agréger. Par ailleurs, leur action sur le milieu interstellaire peut y faire naître de nouvelles étoiles. Cependant, malgré leur importance, les jets restent parmi les phénomènes les plus mystérieux de l'astronomie moderne. En particulier, les théories actuelles ont du mal à expliquer comment la matière peut se propager sur de si longues distances tout en restant confinée en un jet étroit.

Grâce à la première simulation de ce phénomène en laboratoire, et à des modélisations numériques en trois dimensions, les chercheurs ont compris que les jets émis par les très jeunes étoiles sont confinés par un champ magnétique à large échelle, qui est aligné avec l'axe des jets, comme l'ont récemment précisé des mesures par télescope. Le mécanisme que les chercheurs proposent est donc en très bon accord avec les observations astrophysiques actuelles. Il rend compte notamment de mystérieuses émissions de rayons X observées par le satellite Chandra le long des jets.

Des lasers et des bobines pour reproduire l'environnement interstellaire

Ces résultats ont été rendus possibles par un dispositif expérimental unique, récemment breveté, couplant lasers de puissance et champs magnétiques intenses. En arrachant des électrons à un échantillon de plastique à l'aide de faisceaux laser, les physiciens du LULI ont produit un plasma2 représentatif, à échelle réduite, de l'atmosphère des jeunes étoiles. Mais ce qui a été déterminant, c'est la génération, par des bobines fabriquées au LNCMI, d'un champ magnétique assez intense pour reproduire, dans quelques centimètres cubes et pendant quelques millionièmes de secondes, l'environnement interstellaire. Des physiciens du LERMA et du LULI, aidés par des collaborateurs étrangers, ont ensuite modélisé, au moyen de supercalculateurs, de jeunes étoiles en formation et l'expérience en laboratoire. L'accord entre ces deux simulations a confirmé le rôle clé du champ magnétique interstellaire.

Dans cette étude, les scientifiques se sont penchés spécifiquement sur les jets de plasma des étoiles naissantes, mais le même mécanisme pourrait être à l'œuvre dans les autres types de jets astrophysiques. En outre, ce travail ouvre la voie pour étudier, de manière concrète, le rôle des champs magnétiques en astrophysique. Les chercheurs souhaitent notamment se pencher sur le mécanisme d'accumulation de matière par les jeunes étoiles, les rayons cosmiques3 et les arches de plasma éjectées lors des éruptions solaires. Enfin, le dispositif construit au LULI pourrait servir aux recherches sur la fusion nucléaire, où les champs magnétiques sont évoqués depuis longtemps pour pouvoir confiner les ions au sein d'un combustible et augmenter leur température, ce qui est le paramètre clé pour parvenir à la fusion.

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