la lettre
Culture Science
Antipolis une publication de l’Université Nice Sophia
08 Janvier 2014
unice.fr
Astéroïdes : la physique des impacts sur petit écran
Image de lʼastéroïde Itokawa prise par la sonde Hayabusa (credit : JAXA) Les risques de collision des corps étrangers avec la Terre et les virées dans la voie lactée alimentent les scénarios cinématographiques, mais pas seulement. Patrick Michel, un des rares spécialistes de la physique des impacts appliquée aux sciences planétaires, simule pour les agences spatiales des mécanismes mis en jeu dans de «vraies» missions. Chercheur à l’Observatoire de la Côte d’Azur, il fait partie de plusieurs équipes scientifiques ayant pour cible des astéroïdes... Pour le meilleur comme pour le pire. La fondation néerlandaise Mars One envisage de propulser une colonie humaine sur Mars... dans moins d’une décennie. Les agences spatiales, plus réalistes, prévoient d’aller s’y poser... un jour. Les Chinois mettent le cap sur la Lune, des satellites arpentent l’espace, des capteurs d’images à bord. La conquête spatiale connaît ainsi un engouement international, avec des projets conjugués à tous les temps, de l’analyse des échantillons lunaires prélevés dans les années 60 aux rêves de colonisation extraterrestre. Certains objets, dans l’espace, pourraient également receler des informations sur le passé et jouer un rôle clé dans notre futur. Il s’agit des restes du matériau ayant permis de fabriquer les planètes. « ce sont les oeufs de l’omelette qu’est devenu notre Système Solaire », résume Patrick Michel, directeur de recherche au laboratoire Lagrange (OCA, CNRS, UNS) et responsable de l’équipe TOP (Théories et Observations en Planétologie). Ces « petits » corps ne sont rien d’autre que les astéroïdes, mis en scène sur grand écran dans des scénarios apocalyptiques de collision avec la Terre. Parmi eux, une classe particulière d’objets, dits « primitifs », n’a pas pu s’accréter, au moment où, dans un disque de gaz et de poussières autour du soleil, des collisions lentes formaient les planètes gazeuses puis leurs voisines telluriques. « Les attractions de part et d’autre ont créé un anneau de matière, appelé ceinture principale des astéroïdes », explique le scientifique, docteur en sciences physiques. Elle contient un million de corps plus grands que 1 kilomètre de diamètre, mais finalement peu de matière, de l’ordre de un millième de la masse de la Terre. « Rien à voir avec les visions d’artistes de certains films, où les vaisseaux spatiaux peinent à se déplacer sans percuter la roche », s’amuse Patrick Michel.
Quoi qu’il en soit, là où les astéroïdes ont participé à fabriquer une planète, la matière a grossi, chauffé, la composition chimique initiale a évolué du fait de la différenciation en couches. En conséquence, « l’omelette » actuelle n’a plus grand chose à voir avec les « oeufs » initiaux. Et aucun scientifique n’a encore réussi à recréer, par exemple, les conditions initiales de l’émergence de la vie sur Terre. Des hypothèses existent (1), mais un bon moyen de vérifier l’une d’entre elles, celle dite de « la soupe prébiotique », pourrait être d’étudier la matière première dans son contexte originel, c’est-à-dire non contaminée et non altérée par une arrivée sur notre planète, comme c’est le cas avec les météorites (des morceaux d’astéroïdes). « D’après nos observations, nous savons d’ores et déjà qu’une classe d’astéroïdes, celle que nous ciblons, est riche en carbone (donc en matière organique) et en acides aminés (2) », précise le physicien. Ces corps contiendraient donc, a priori, des éléments favorables au développement de formes de vie.
« On sait toujours aller quelque part, le plus dur cʼest de revenir » Mais, à ce jour, les missions spatiales de récolte d’échantillons sur des astéroïdes ne font pas légion, principalement car pour les agences spatiales, cette aventure constitue encore une première, avec les risques que cela comporte. « On sait toujours aller quelque part, le plus dur c’est de revenir », admet le scientifique. Les études techniques démontrent toutefois la faisabilité de telles missions. Et la NASA (USA), comme la JAXA (Japon) se lancent déjà, Patrick Michel fait d’ailleurs partie des deux équipes scientifiques mobilisées sur ces projets et il intervient très
tôt dans la préparation de ces épopées extra-terrestres. Il crée en effet, au moyen de codes, des programmes de simulation destinés à évaluer les meilleures stratégies imaginables pour mener à bien les missions. Depuis 2006, il travaille notamment sur le projet Marcopolo-R, de collecte d’échantillon sur un astéroïde primitif. Programmée pour décoller en 2023, la sonde devrait ensuite revenir en 2027. « Je dois adapter le modèle de récupération d’échantillon à un milieu où, par exemple, les lois de Newton s’expriment différemment. Autrement dit, une navette ne peut pas se poser simplement en surface car elle rebondira », explique le spécialiste. Et avant de songer à s’ancrer dans la roche, il faut d’abord savoir de quoi elle est faite... Ainsi, Patrick Michel a participé à l’étude d’un système de récolte, constitué d’une brosse avec des pâles rigides, susceptibles de gratter le sol. Un autre mécanisme utiliserait des pinces similaires à celles des jeux de foire foraine... en bien plus efficace. « L’objectif est de parvenir à collecter au moins 100g de matériau », annonce le physicien. L’Agence Spatiale Européenne (ESA) devait rendre son verdict le 23 janvier dernier sur les modèles proposés par Patrick Michel pour Marcopolo-R. Mais quoiqu’il en soit, et même si le scientifique participe déjà avec quelques collègues de son Observatoire aux missions OSIRISREx (NASA) et Hayabusa 2 (JAXA) qui seront lancées en 2016 et 2014, il juge indispensable pour l’Europe d’entrer dans la course aux astéroïdes. « Il y a le Graal, un jour, de récupérer un échantillon de Mars. Or cela se prépare. Il faut faire des tests, sans doute investir dans un laboratoire de conservation des échantillons. Quasiment tous les instruments d’analyse sont actuellement fabriqués en Europe et il serait dommage d’en rester là », estime-t-il. Qui plus est, les astéroïdes présentent d’autres caractéristiques intéressantes, bien moins réjouissantes. Car une partie d’entre eux, les géocroiseurs, représente un risque d’impact avec la Terre dont la fréquence est inversement proportionnelle à la taille de l’objet. « L’ONU travaille actuellement sur un rapport de recommandations, afin d’organiser une chaîne de commande susceptible de réagir à une menace », révèle le chercheur, membre de l’équipe d’action 14 sur le risque des géocroiseurs à l’ONU. Néanmoins, « la probabilité de détecter une menace dans l’heure ou dans les mois qui viennent est extrêmement faible », rassure Patrick Michel.
Une filière dʼavenir ? La communauté des physiciens des impacts compte actuellement une poignée de spécialistes dans le monde, engagés dans des missions spatiales, comparativement par exemple aux employés de lʼindustrie automobile. Les travaux de Patrick Michel reposent sur une physique fondamentale très pointue. Grâce aux nouvelles collectes dʼimages, au développement des instruments, lʼévolution des connaissances devrait ouvrir le champ, dans les prochaines années, à des besoins croissants en simulations appliquées à la planétologie. «Il faut des étudiants, des post-doctorants en commun avec dʼautres laboratoires de recherche, par exemple pour faire de la planétologie comparée, pour étudier la possibilité dʼenvoyer un homme sur un astéroïde avant dʼaller sur Mars. Il y a des créneaux à prendre», assure le directeur de recherches. « Et les compétences en physique des impacts se recyclent facilement dans lʼindustrie », insiste-t-il. Après un Diplôme dʼIngénieur en Aéronautique et Techniques Spatiales, Patrick Michel a suivi un DEA (ex Master 2) de physique Spécialité “Imagerie, Astronomie et Haute Résolution Angulaire”. Il a ensuite poursuivi en thèse, pour enfin devenir chercheur.
En effet, la fréquence d’impact des objets dont la taille est de quelques centaines de mètres est de l’ordre de dizaines de milliers d’années. Reste donc à espérer ne pas être en queue de fréquence et pouvoir détecter un risque au moins une dizaine d’années au préalable.
De quoi est fait lʼennemi Toutefois, là encore, « pour se protéger, il faut savoir de quoi est fait l’ennemi. S’il s’agit d’une éponge ou d’une barre métallique, ce n’est pas la même chose », remarque le physicien. Il n’y a également pas vraiment de « taille critique » bien établie en deçà de laquelle le risque de dommages serait nul. « Les dégâts dépendent aussi de la densité de l’objet ou de la géométrie de l’entrée dans l’atmosphère », explique le directeur de recherche. Les limites instrumentales restreignent en outre les observations des « très petits objets », comme la météorite Tcheliabinsk, d’une quinzaine de mètres de diamètre, tombée en Russie en février 2013. Les équipes scientifiques motivées à écarter une prochaine menace, ciblent ainsi actuellement en premier lieu les corps de plus de 140m de diamètre, susceptibles de causer des dégâts régionaux. Et Patrick Michel soutient les missions « tests », à plusieurs titres. « D’abord, pourquoi se priver d’une stratégie d’évitement ? Ensuite, quand on étudie comment un matériau dans l’espace réagit à un impact, on affine le modèle de fragmentation des roches, avec des applications possibles, par exemple, dans les industries nécessitant une compréhension de la physique des roches. Enfin, on comprendra peut-être alors le processus de collision à l’origine de la formation des planètes ». Convaincu, il développe donc des simulations basées sur un scénario de déviation, dit de « l’impacteur cinétique ». Le projet test AIDA vise ainsi à dévier le satellite d’un astéroïde binaire (3). Pour cela, un projectile auto guidé lancé à très grande vitesse viendrait « taper » dessus. La collision entraînerait un petit éjecta de matière mais surtout une impulsion suffisamment importante pour dévier légèrement la menace de sa trajectoire. D’autres modèles existent, pour certains techniquement plus utopiques et pour d’autres vivement contestés au sein de la petite communauté des physiciens des impacts. Le « tracteur gravitationnel », par exemple, utiliserait la masse d’un satellite pour attirer de petits astéroïdes à lui. « Mais il existe malheureusement toujours un risque de voir une telle technique détournée. Comment s’assurer que personne ne sera tenté de viser une région précise de la planète, avec cette « arme » satelliteastéroïde ? », interroge Patrick Michel. Sans parler du scénario de l’explosion nucléaire. Certains imaginent en effet volontiers utiliser la puissance d’une gigantesque radiation pour dévier l’objet ciblé... À côté de cela, des scientifiques imaginent les plans de voiles solaires ou l’utilisation de peinture noire (4). Un point commun, cependant, réunit partisans d’une intervention musclée, pacifiste ou écologique. Aucun de ces projets d’évitement ne pourra se voir qualifié dans le programme des missions scientifiques. « Pour que la mission AIDA dépasse le stade de l’étude, démarré en 2012, il faudra trouver un créneau sur les budgets optionnels de l’ESA. Peut-être « test technologique, environnement? »», s’interroge le responsable de l’équipe TOP. Laurie CHIARA (1) voir, par exemple, l’ouvrage collectif Les débuts de la vie : L’évolution de Simonetta Gribaldo, Marie-Christine Maurel et Jean Vannier (2) Les acides aminés sont des molécules codées par l’ADN. Une fois synthétisées, ils sont assemblés en protéines, les fameuses briques du vivant. (3) Il existe de nombreux astéroïdes binaires dans la ceinture principale. Il s’agit de deux astéroïdes en rotation l’un autour de l’autre. (4) Pour en savoir plus sur les projets à l’étude : http://www.neoshield.net/en/index.htm
Pour en savoir plus sur les travaux de l’équipe TOP : https://www-n.oca.eu/Cas_planeto/index.html Pour découvrir la bande dessinée dédiée à la mission Marcopolo-R : https://www-n.oca.eu/MarcoPolo-R//Cartoon/MarcoPolo-R_Cartoon.html
Conférence grand public
Champagne !
La section Côte dʼAzur de la Société Française de Physique a invité Michèle Adler (1) à révéler au grand public la formule de la mousse de champagne, le 17 décembre dernier. La conférence a eu lieu sur le site Valrose de lʼUniversité Nice Sophia Antipolis.
Elle en parle avec familiarité, en décrit les qualités avec gourmandise. Elle en connaît chaque trait, chaque transformation éphémère. Michèle Adler a débuté ses recherches sur la mousse de champagne en 1989, suite aux sollicitations de deux autres scientifiques. Elle se remémore leur rencontre volontiers : « Bruno Duteurtre, biochimiste et Bertrand Robillard, chimiste organicien, sont venus me trouver avec une question : quelle physique peut bien commander l’aspect de la mousse de champagne ? ». Michèle Adler commence alors à dresser un portrait minutieux de son sujet. « Généreuse au versement, elle s’effondre en une poignée de secondes. Puis des bulles naissent sur les parois du verre et viennent à former une collerette ». À y regarder de plus près, la mousse se présente précisément comme un « radeau de bulles, qui fond par le centre », raconte la physicienne, passionnée. Au cours de cette disparition, les bulles éclatent et libèrent au passage, en un jet, le liquide contenu sous leur lit. « C’est le pétillement, la fête commence ! », se réjouit l’invitée. Mais, la réussite systématique de cette expérience multi-sensorielle constitue un défi d’envergure pour les producteurs. Michèle Adler a ainsi réalisé des expériences pour de grandes maisons. Elle a choisi, à cet effet, d’élaborer des solutions « modèles » autrement dit, des « pseudo vins » (2), composés pour l’essentiel d’eau, d’alcool, d’ions, de petits éléments extraits des enveloppes de levures (glycoprotéines), de gaz carbonique, le tout placé en pH acide (3,2). Elle en tirera une série de propriétés critiques du champagne et parvient, avec son équipe, à reproduire le comportement d’un millésime de six ans d’âge.
Le gras, ennemi des bulles La physicienne dresse ainsi un inventaire succinct des erreurs à éviter pour ne pas compromettre le précieux breuvage. « Ne jamais nettoyer les verres avec une solution acide », commence-t-elle. Oubliés, les agents corrosifs, mais aussi les filtres anti-calcaire et la méthode du séchage à
l’air libre... Car les petites sphères de gaz se forment à partir de trois sources : des fibres textiles (liées à l’essuyage), des cristaux calcaires (dépendants de la qualité de l’eau), des dépôts organiques. Michèle Adler poursuit : « Les bulles de CO2 présentent une pression six fois supérieures à celle de l’air. Elles ont donc tendance à vouloir s’échapper vers le haut ». De la même façon, les petites bulles sont toujours attirées par les plus grosses. Mais, avant cela, les forces capillaires les retiennent à la source. Ensuite, la présence de « grosses » molécules dans le vin semble favoriser la formation de la mousse. En effet, ces éléments se regroupent dans l’espace entre les bulles (le « film ») et compliquent ainsi la réunion entre les sphères, autrement dit leur destruction. Autres éléments intéressants, le gras et le silicone (par exemple celui des rouges à lèvres) s’étalent au contraire sur ce même film jusqu’à le faire rompre. Ils inhibent ainsi l’effervescence tant recherchée... Reste la question des « bouteilles gerbeuses ». Pourquoi certains contenants, plus que d’autres, laissent exploser la mousse lorsque le bouchon saute ? « Nous avons découvert que ceci est dû au vieillissement des bouteilles de verre pendant la fermentation sur lit. Des cristaux de carbonate, solubles en solution acide, se forment », révèle Michèle Adler. Or, comme le vin est à pH 3,2, ils se décomposent et enrichissent alors la teneur en CO2 de la bouteille... Pour Recevoir les infos de la SFP Côte d’Azur : Wilfried.BLANC@unice.fr Pour en savoir + sur la SFP : http://www.sfpnet.fr/index.php?page=tpage&id=1 (1) Michèle Adler est physicienne, Directeur de Recherches émérite au CNRS. Elle a crée en 1999 le LPMDI (laboratoire de physique des matériaux divisés et des interfaces) à l’université de Marne la Vallée, et en 2006 le Groupe De Recherche « Mousse ». (2) Le champagne est un mélange de vins (Chardonnay, Pinot Noir et Pinot Meunier). Du point de vue chimique, il se ramène pour l’essentiel à une solution hydroalcoolique à environ 12%, avec un pH acide de 3,2, des polysaccharides (des sucres, stabilisateurs pour la mousse), du dioxyde de carbone (C02), des ions minéraux, divers composés volatils, des molécules aromatiques.
Sciences publiques
Clôture des 10 ans du canceropole PACA L’AGENDA :
LAGRANGE (1736-1813) : un mathématicien-astronome boulimique d’Académies Par Jean-Pierre Rozelot, Astronome à l’Observatoire de la Côte d’Azur. La conférence, organisée par l’association Aquila, aura lieu le 29 janvier 2014 en amphi 2, sur le site Valrose de l’UNS http://www.aquila.free.fr/
Théorème vivant Les rendez-vous de l’Alliance française. Conférence de Cédric Villani, mathématicien, médaillé Fields. L’intervention aura lieu au Centre Universitaire Méditerranéen le 19 février 2014 à 15h. http://cum-nice.org/files/CUM%20 PROGRAMME_2014.pdf
&
Science Expériences Exposition itinérante,
pluridisciplinaire
Observer Toucher Expérimenter
et modulable
pour découvrir le monde et se poser mille questions ! Les phénomènes présentés sont tous visuels ou sonores, surprenants, voire fascinants. Les publics : Tous les curieux de science mais aussi les élèves de tous niveaux qui pourront découvrir les sciences sous un jour plus ludique et seront certainement conquis ! Le contenu :
18 expériences de biologie, 23 expériences de mathématiques, 29 expériences de physique à moduler selon le niveau des élèves et l’espace disponible.
Des expériences savantes pour apprendre en s’amusant ! Séjours dans les établissements scolaires sur demande
Contact : science.experiences@unice.fr
Science & Expériences Retrouvez les ateliers mobiles de l’UNS 20-31 Janvier 2014 : • Centre LAMAP Ecole Lucie Aubrac à La Seyne : Physique + Chimie + Biologie. • Centre LAMAP de l’Ariane et collège Maurice Jaubert à Nice : Maths. 3-21 Février 2014 : Centre LAMAP de l’Ariane à Nice : Biologie. science.experiences@unice.fr
Les finalistes de Nice et Antibes, avec les chercheurs mobilisés : Sophie Tartare (C3M), Julie Milanini (IPMC), Dr. Rabia Boulahssass (CAL, Ircan), Cedric Caggioli (Ircan). À droite, le groupe de Don Bosco parvenu 3e au classement final.
Les Lycées Audiberti d’Antibes et Don Bosco de Nice ont participé mercredi 18 décembre au quizz organisé pour clore les 10 ans du cancéropole PACA. Le réseau des 170 équipes de recherche avait ponctué l’année 2013 d’une série d’événements grand public, afin de sensibiliser les citoyens à la recherche et à la prévention contre le cancer. Le Centre Régional de Documentation Pédagogique de l’Académie de Nice a cette fois mis à disposition des élèves des tablettes numériques, pour leur permettre de se confronter en simultané aux Marseillais. Ils ont eu à répondre à 16 questions, réparties sur 8 thèmes. L’occasion de vérifier la bonne acquisition des éléments abordés sur le temps
scolaire, en préparation à cette épreuve finale. Pourquoi développer l’oncogériatrie? Quels sont les principes de la chimiothérapie métronomique, des nanotechnologies appliquées au cancer? Que permet la modélisation mathématique? Les questions étaient parfois pointues, mais chaque fois commentées avec l’intervention d’un chercheur, en duplex depuis la villa Méditerranée ou le centre Inria Sophia Antipolis. Quatre élèves du lycée Don Bosco ont obtenu la troisième place, derrière leurs adversaires de Saint-Exupéry. Le prix du grand public, également convié à jouer, a été décerné à un collégien, en stage de troisième au Centre de Recherche sur le Cancer de Marseille.
GAÏA mis en orbite Décompte à l’unisson. Applaudissements énergiques. Nous sommes le jeudi 19 décembre. Il est 6h12, heure de Kourou, en Guyane. Dans la pénombre de la salle de la Nef, sur les hauteurs de l’Observatoire de la Côte d’Azur, les astronomes arborent enfin un sourire satisfait. Le satellite Gaïa, propulsé dans la voie lactée avec le véhicule spatial Soyouz (de l’opérateur Arianespace), se trouve désormais en orbite autour de la Terre. Il effectuera un tour complet du globe pour prendre son élan, puis entamera un périple de un mois vers une petite croix blanche tracée dans le ciel, appelée point de Lagrange 2. À partir de là seulement, et après avoir subi encore près de 12 semaines de tests, le satellite entamera sa mission d’astrométrie pour cinq ans. En d’autres termes, il permettra de connaître la position d’environ un milliard d’étoiles. « Un travail indispensable, pour reconstituer la géométrie de la voûte céleste », explique Albert Bijaoui, ancien directeur du laboratoire Cassiopée (OCA). Équipé de capteurs de mille millions de pixels, Gaïa se trouve en mesure de détecter l’équivalent d’une pièce de un euro à la distance Terre-Lune...
« Il va cataloguer, positionner, donner la vitesse des étoiles. Mais il va aussi détecter des asteroïdes et tous les objets susceptibles d’entrer un jour en collision avec la Terre », poursuit l’astronome émérite. Au-delà de notre Galaxie, le satellite pourrait également renseigner les terriens sur environ 500 000 quasars. Il s’agit des galaxies actives de très grande masse (cent milliard de fois celle du Soleil), situées autour des mystérieux trous noirs. L’Observatoire de la Côte d’Azur se trouve profondément impliqué dans cette opération. Le laboratoire Lagrange (OCA, CNRS, UNS) en particulier participe activement au consortium des scientifiques pour l’analyse des données collectées.
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