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Se donner les moyens de l'excellence : la recherche polaire française à la veille de l'année polaire internationale

 

B. L'ASTRONOMIE ANTARCTIQUE : UN NOUVEAU CHAMP

Les recherches astronomiques sont, depuis juillet 2006, reconnues par le SCAR comme un des grands domaines de recherche en Antarctique. Il prend une expansion croissante dont les États-Unis ont d'ores et déjà pleinement pris la mesure au pôle Sud tandis que la France et l'Italie ont un atout majeur à jouer avec la station Concordia.

1. La reconnaissance d'une discipline en pleine expansion

Les réflexions sur le développement de l'astronomie en Antarctique ont commencé au début des années 1990 et la première campagne de test du site de pôle Sud a eu lieu en 1993-1994.

Depuis lors, des projets majeurs se sont développés sur la base américaine.

Votre rapporteur en retiendra deux qui lui semblent particulièrement significatifs par leur rayonnement scientifique : l'étude du fond cosmologique et la détection des neutrinos.


· L'étude du fond cosmologique de l'univers

La question de la mesure du rayonnement fossile de l'univers est une question scientifique et philosophique fondamentale puisqu'elle vise à connaître l'état de l'univers primordial et à se rapprocher le plus possible du moment de sa naissance, le « Big Bang ».

Les premières mesures ont été réalisées par le satellite COBE, de la NASA, en 1992. Cette découverte a permis aux chercheurs américains John Mather et Georg Smoot d'obtenir le prix Nobel en 2006. Ils ont effectué la première observation précise du fond diffus cosmologique, le rayonnement lumineux apparu 300 000 ans après le Big Bang. Le rayonnement fossile avait été découvert par hasard en 1964 par Arno Penzias et Robert Wilson, du laboratoire Bell. Mais ce rayonnement était à l'époque impossible à mesurer depuis la terre, ce qui a conduit au projet du satellite COBE. Les résultats majeurs de ces observations furent, pour ses auteurs, la confirmation de la théorie du Big Bang (un univers en expansion à partir d'un point initial) et la publication d'une carte du ciel du fond diffus cosmologique mettant en évidence les variations de température (anisotropies). Elles permettraient d'expliquer pourquoi l'univers n'est pas homogène, mais constitué de vide et d'îlots de matière.

Plus récemment, les mesures effectuées par le satellite WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) ont été très largement diffusées. Il offre une nouvelle image de l'univers primordial infiniment plus précise que celle de COBE. Il montre une polarisation et une orientation de la lumière. Il permet de préciser la répartition de la matière dans l'univers : 4 % de matière ordinaire, 22 % de matière sombre et 74 % d'énergie noire. Il permet de préciser le scénario de formation des premières étoiles et galaxies.

Par rapport à ces recherches menées dans l'espace, l'Antarctique apparaît extrêmement complémentaire. En effet, les conditions très particulières qui y règnent permettent de travailler avec une précision équivalente à celles de l'espace. Il offre également l'avantage de pouvoir utiliser du matériel disposant des derniers perfectionnements et réparables rapidement.

Plusieurs expériences ont eu lieu à partir de pôle Sud, notamment en 2000, Boomrang, à partir d'un ballon de mesure.

Par ailleurs, dans le cadre d'une collaboration entre le Royaume-Uni et les Etats-Unis, le télescope QUEST (Q and U Extra-Galactic Survey Telescope) a été déployé en 2004-2005 sur DASI, intrféromètre consacré à la mesure des anisotropies de température et de polarisation.

Dans ce domaine, sur Concordia, dans le cadre de Brain, une équipe franco-italienne a installé des bolomètres. Ces détecteurs sont constitués d'un cristal dont la température varie en fonction de l'énergie des particules qui le frappent. Ils sont placés dans un cryostat qui les refroidit à une température proche du zéro absolu22(*).

Ces expériences permirent à l'époque de produire des images du fond cosmologique beaucoup plus rapidement, pour un coût beaucoup plus faible, et compte tenu de l'usage d'un matériel à jour des dernières avancées technologiques, beaucoup plus précises que n'avait pu le faire le satellite COBE en plusieurs années d'utilisation.

Aujourd'hui, ces recherches sont poursuivies sur place afin de continuer à préciser les mesures, sous la direction personnelle d'un des deux titulaires du prix Nobel, dans la perspective du lancement de la mission européenne Planck en 2008. La technologie du satellite a d'ailleurs fait l'objet d'un test dans l'Arctique à partir d'un ballon (mission Archéops) lancé de Kiruna (Suède).


· La recherche des neutrinos : le projet Ice Cube

Un autre exemple illustrant l'importance des recherches en astronomie menées en Antarctique est le programme international de détection des neutrinos.

Sous la direction des États-Unis et à l'initiative de l'université de Madison (Wisconsin, Pr Francis Halzen), un très important programme de recherche est en cours sur les neutrinos. Il est financé à hauteur de 295 millions de dollars par la National Science Foundation (NSF) à laquelle sont associés plusieurs pays : Suède, Belgique, Allemagne, Royaume-Uni et Pays-Bas.

Ce projet, dénommé Ice Cube, devrait voir sa construction achevée en 2009.

Les neutrinos sont des particules élémentaires, de masse pratiquement nulle, engendrées par des réactions nucléaires. Le soleil et d'autres phénomènes astronomiques produisent des neutrinos à basse énergie, les cataclysmes cosmiques comme les trous noirs, les supernovae ou le Big Bang produisent des neutrinos à haute énergie. Ce sont ces derniers qui sont recherchés.

Une fois engendrés par ces cataclysmes, les neutrinos se déplacent à la vitesse de la lumière et ne s'arrêtent pas. Leur masse étant virtuellement nulle, ils n'interagissent que très rarement avec d'autres particules, ce qui leur permet de se déplacer en ligne droite jusqu'aux frontières de l'univers traversant tous les corps : étoiles, planètes ou champ magnétiques, comme si ceux-ci n'existaient pas. Ainsi, des trillions de neutrinos traversent la terre toutes les nanosecondes. Or, pour les astrophysiciens, chacune de ces particules est un messager potentiel d'informations sur son origine.

Les neutrinos sont cependant extrêmement difficiles à détecter. Cela n'est possible que lorsqu'ils entrent en collision avec une molécule. La collision désintègre le noyau et le neutrino se transforme en une autre particule appelée muon. Le muon poursuit son déplacement sur la même trajectoire que le neutrino mais peut être reconnu grâce au cône de lumière bleue qu'il engendre - radiation de Tcherenkov - Il peut être comparé à l'onde produite dans l'air par une balle.

Réussir à détecter les muons nécessite de surveiller un volume très important d'une substance parfaitement transparente et plongée dans l'obscurité.

Au début des années 1980, les États-Unis ont tenté la création d'un détecteur au large d'Hawaï en utilisant les profondeurs de l'océan. Mais l'instabilité de la météorologie et de la mer ont empêché la pleine réussite de l'expérience. La glace de l'Antarctique paraît beaucoup plus prometteuse. Une première génération existe déjà, il s'agit d'« AMANDA », pour Antarctic Muon and Neutrino Detector Array.

La nouvelle génération sera le détecteur Ice Cube qui sera constitué de 5.000 détecteurs photomultiplicateurs enchâssés dans 1 km3 de glace, entre 1 400 et 2 400 mètres de profondeur sous le pôle Sud. Il sera ainsi possible de profiter de l'obscurité mais aussi d'une glace d'une clarté cristalline. Ces capteurs auront pour mission de multiplier le signal par une centaine de millions de fois et de l'envoyer vers la surface, où ils seront traités par ordinateur. Il sera ainsi possible de connaître leur direction et leur origine et donc d'étudier l'événement cosmique qui les a engendrés.

Cette expérience a des parallèles à l'étranger : Auger en Argentine, Antares au large de Toulon, ou encore Nemo et Nestor au Sud de l'Italie.

Ces recherches menées en Antarctique se rattachent elles aussi à un des domaines les plus en pointe aujourd'hui en physique fondamentale. Raymond Davis a d'ailleurs obtenu le prix Nobel de physique 2002 pour ses recherches sur les neutrinos. Il avait été l'un des premiers, en 1968, à construire une cuve remplie de 600 tonnes d'un solvant riche en chlore et placée à 2 300 m sous terre, dans la mine de Homestake aux Etats-Unis, pour détecter les neutrinos émis par le soleil. Ne trouvant pas tous les neutrinos attendus, il émit l'hypothèse de leur oscillation, résultats qui furent confirmés en 1998 par l'expérience japonaise « Super Kamikande » avec un détecteur beaucoup plus important23(*).

Les recherches sur les neutrinos ne se rattachent pas qu'à la physique des particules, certains émettent l'hypothèse selon laquelle, après le Big Bang, un fond de neutrinos serait présent à côté du fond cosmologique déjà détecté24(*).

* 22 Zéro absolu : 0 kelvin (K) = - 273,16°C.

* 23 Jean Orloff, Université Blaise-Pascal Clermont-Ferrand, La Recherche, n°402, novembre 2006.

* 24 Julien Lesgourges (CNRS), La Recherche, novembre 2006, n°402