Le prix Nobel de physique : aboutissement d’un travail d’équipe

24/12/2017
Publication REE REE 2017-5
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2017-5:21267

Résumé

Le prix Nobel de physique : aboutissement d’un travail d’équipe

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REE N°5/2017 ◗ 19 de mesures du canal Wi-Fi ont été définis pour déclencher l’activation ou la désactivation de LWA. Dans la version 14 des spécifications, il est prévu de pouvoir agréger les flux dans le sens montant et de prendre en compte les versions du Wi-Fi qui fonctionneront dans la bande des 60 GHz. Une autre approche de l’agrégation du Wi-Fi et des ac- cès mobiles est LWIP : elle s’appuie sur l’établissement d’un tunnel IPsec entre le terminal et la station de base et sur la double connexion au réseau mobile. Multefire Multefire est une transposition de LTE et de ses évolutions dans les bandes non réglementées, 5 GHz en particulier. Les travaux de définition ont été lancés en 2016 ; ils s’appuient sur les résultats de travaux de la version 13 et en particulier sur LAA. L’objectif est d’obtenir un système de communica- tion mobile à petites cellules autonomes ayant les perfor- mances de LTE sans recourir à un ancrage dans LTE et aussi facile à déployer que le Wi-Fi sans supporter les redevances d’usage du spectre réglementé. Il peut couvrir des bâtiments d’entreprises ou des enceintes de forte densité tout en res- tant compatible avec les déploiements LTE. Le 3GPP a accepté en mars 2017 comme sujet d’étude une solution globale pour un accès radio fondé sur la nou- velle radio 5G dans les bandes non réglementées : il inclut à la fois l’accès assisté (comme LAA) et l’accès autonome (comme Multefire). L’intégration du Wi-Fi, ou des bandes de fréquences Wi- Fi, dans les systèmes cellulaires rapproche deux mondes qui se développaient indépendamment. Elle permet aux systèmes cellulaires d’améliorer la couverture interne des bâtiments à des coûts peu élevés : cette évolution, conju- guée à la limitation de la puissance requise des terminaux pour l’Internet des objets (IoT), devrait donner aux réseaux cellulaires un rôle central dans l’IoT. Quelle sera la place des techniques Wi-Fi à l’avenir ? Il est difficile de répondre à cette question mais il est très probable que les deux mondes sont appelés à coopérer de manière de plus en plus étroite. ■ PC Photo 1 : (de gauche à droite) Rainer Weiss (Crédit photo : Bryce Vickmark), Barry Barish (Source : Wikipédia) et Kip Thorne (Crédit photo : Caltech Alumni Association). ACTUALITÉS Le prix Nobel de physique : aboutissement d’un travail d’équipe Le prix Nobel de physique 2017 Le prix Nobel de physique 2017 a été attribué aux physi- ciens américains Rainer Weiss, Barry C. Barish et Kip S. Thorne pour leurs contributions décisives au succès de l’expérience LIGO et à la première observation des ondes gravitationnelles. L’observation directe de ces ondes, annoncée le 11 février 2016, est le résultat de la collaboration entre les équipes des détecteurs LIGO aux Etats-Unis et Virgo en Europe ; elle est le fruit de l’implication pendant plusieurs décennies de très nombreux scientifiques, tant au niveau de la théorie que des efforts expérimentaux. On pourra se reporter à la REE 2016-2 OáUN&LASHINFOAVAITFAITPARTDECETTEDÏCOUVERTE sRainer Weiss, né à Berlin en 1932, a dû fuir l’Allemagne en 1938 pour trouver refuge aux Etats-Unis. Il mena ses études au MIT qu’il rejoignit en tant que professeur en 1964. Il fut pionnier dans de nombreux domaines dont la mesure du fond diffus cosmologique par le satellite NASA/COBE. Il mit au point l’interféromètre pour ondes gravitationnelles et fut co-fondateur du projet NSF/LIGO qui devait mener à une meilleure compréhension de l’Univers ; s Barry Barish, né en 1936, a fait ses études à l’Université de Californie à Berkeley. Retraité du California Institute of technologie, il est membre de la Société américaine de phy- sique et de l’Académie nationale des sciences. Tout comme 20 ◗ REE N°5/2017 le professeur Weiss, il a consacré sa carrière à l’étude des ondes gravitationnelles ; sKip Thorne, né en 1940 a fait ses études à l’Université de Californie, puis à Princeton. Il a fait toute sa carrière au Cali- fornia Institute of Technology dont il fut un des plus jeunes professeurs. Particulièrement connu comme astrophysicien relativiste, il a focalisé ses études sur les trous noirs, les ondes gravitationnelles, la relativité générale et la naissance de l’Univers. Il est également connu pour avoir développé LATHÏORIEDESiTROUSDEVERwQUIPERMETTRAIENTUNVOYAGE dans le temps. Il faut rappeler, en marge de ce prix Nobel, que deux cher- cheurs français ont également collaboré à ce grand projet et ont reçu la médaille d’or 2017 du CNRS : Alain Brillet et Thibault Damour (voir encadré). Les ondes gravitationnelles. Les ondes gravitationnelles ont été prédites par Albert Einstein en 1916 dans sa théorie de la relativité générale. Dans cette théorie, Einstein démontre que l’espace est structuré par la force gravitationnelle. Les objets massifs courbent la structure de l’espace-temps, un peu comme une boule de billard posée sur une membrane de caoutchouc. Mais, en contrepartie, cette structure de l’espace-temps contraint la matière et la lumière à suivre ces lignes de défor- mation. C’est dans cet espace élastique qu’Einstein a prévu l’existence d’ondes gravitationnelles qui distordent les dis- tances, un peu comme une onde sonore se propage en dis- tordant la pression atmosphérique. Les sources de ces ondes sont évidemment très lointaines et arrivent sur terre très at- ténuées. Par contre, leurs caractéristiques de distorsion des distances représentent une signature unique prévue par la théorie. L’effet est très faible et il faut pouvoir mesurer des va- riations de l’ordre d’un dix millième de la taille d’une particule élémentaire soit environ 10 -19 m. A une autre échelle, c’est comme si on voulait mesurer les variations de distance de l’étoile la plus proche avec une précision d’un demi-diamètre de cheveu pour quatre années-lumière de distance. Les interféromètres LIGO-Virgo Einstein doutait que l’on puisse un jour observer les ondes gravitationnelles. Il a fallu attendre 1974 pour qu’une preuve indirecte de l’existence des ondes gravitationnelles soit apportée par Joseph Taylor et Russell Hulse. En étudiant les émissions radio d’un système binaire composé de deux étoiles à neutrons, ils constatèrent une légère décroissance de la période orbitale de l’ordre d’un millième de seconde par an. Ces étoiles à neutrons étant rapides et massives, leur mouvement doit engendrer des ondes gravitationnelles qui déplacent avec elles beaucoup d’énergie. Ceci se traduit par un rapprochement des deux corps et une diminution de la période. Mais ce n’était là qu’une constatation indirecte. Le premier signal réel fut détecté le 14 septembre 2015 par les deux interféromètres LIGO installés aux Etats-Unis. Cette toute première détection ne fit cependant l’objet d’une publication officielle que le 11 février 2016, laquelle compor- tait un millier de signatures. L’interféromètre européen Vir- go, situé près de Pise en Italie, n’était alors pas entièrement opérationnel, mais son équipe participa au dépouillement. Par contre, la détection sur seulement deux sites réduisait la possibilité de localisation de la source. Après une longue analyse du signal, on a pu cependant déterminer que l’onde gravitationnelle provenait de la fusion de deux trous noirs de 29 et 36 masses solaires dont est résulté un trou noir de 62 masses solaires. Une énergie co- lossale correspondant à trois fois la masse solaire a donc été convertie en ondes gravitationnelles. Le 14 août 2017, a été détectée une onde gravitationnelle non seulement par les deux détecteurs LIGO mais aussi par Virgo2. Nous revenons plus loin sur cette détection par un ré- seau de trois instruments qui, en permettant une localisation bien plus précise de la source dans le ciel, est venue illustrer le potentiel de l’astronomie des ondes gravitationnelles. Rappelons à ce stade que, dans un interféromètre laser, le rayon est envoyé sur un miroir qui le divise en deux faisceaux. Chacun d’entre eux parcourt l’un des bras de plusieurs kilo- mètres à l’extrémité duquel un miroir renvoie le faisceau (fi- gure 1). C’est, en beaucoup plus complexe, un interféromètre de Fabry-Pérot. Après plusieurs allers-retours pour augmen- ter la précision, le faisceau sort du bras pour croiser l’autre faisceau avec lequel il se recompose. Si les deux faisceaux ont parcouru la même distance, leur soustraction donne un résultat nul. En revanche, si une onde gravitationnelle a per- turbé le parcours dans l’un des bras, un des faisceaux pré- sente une avance ou un retard sur l’autre. Ce déphasage fait que le résultat de la soustraction des deux faisceaux ne sera pas nul. On conclut alors au passage probable d’une onde gravitationnelle. Le doute n’est levé qu’après une longue ana- lyse des interférences. Les projets LIGO et Virgo ont démarré de façon sépa- rée dans les années 1980. Les interféromètres LIGO sont constitués de deux tunnels perpendiculaires de quatre ki- lomètres de long chacun, constituant les deux branches de l’interféromètre (photo 2). Le laboratoire et les capteurs se trouvent dans le bâtiment en bas à droite de la photo. La construction de l’interféromètre Virgo a débuté en 1996. Elle a été financée et réalisée par le CNRS et l’INFN, l’Institut national de physique nucléaire italien. En 2007, les Pays- Bas ont rejoint la collaboration, suivis par trois autres pays : la Pologne, la Hongrie et plus récemment l’Espagne. Toutes ACTUALITÉS REE N°5/2017 ◗ 21 ces équipes participent à l’exploitation scientifique des don- nées LIGO-Virgo, y compris dans la phase de la seule ex- ploitation LIGO. Il n’est pas possible de prédire l’arrivée d’un train d’ondes gravitationnelles, ni de quelle direction il va provenir, même si on sait que la présence de trous noirs ou d’étoiles à neutrons Figure 1 : Principe de l’interférométrie laser. Source : Le Temps. Photo 2 : Vue aérienne de l’observatoire de Stanford – Source : LIGO Caltech ACTUALITÉS 22 ◗ REE N°5/2017 en est une source probable. En dehors de l’instrumentation nécessaire, il faut savoir identifier leur signature. Ce long dé- pouillement peut durer plusieurs mois pour des centaines de chercheurs assistés par des ordinateurs extrêmement puis- sants. Ceci explique le décalage de temps entre la détection présumée et la publication. La détection du 14 août 2017 a été réalisée par les deux détecteurs LIGO et par Virgo. Cette première détection par un réseau de trois instruments est sans ambiguïté et est la plus précise de toutes les observations d’ondes gravitationnelles réalisées jusqu`à présent. Comme en 2015, cet événément a été interprété comme la coalescence de deux trous noirs. Le 17 août qui a suivi, un fort signal, imputable probable- ment à une onde gravitationnelle en provenance de l’espace, a été observé à nouveau par les laboratoires LIGO et Virgo. A peu près au même moment, le système de recherche de sursauts gamma du télescope spatial Fermi de la NASA a observé une bouffée de rayons gamma. Les programmes d’analyse des données LIGO-Virgo ont rassemblé ces deux informations et ont démontré qu’il était très improbable que ce soit une coïncidence due au hasard. La détection rapide des ondes gravitationnelles par la collaboration LIGO-Virgo, associée à celle du sursaut gamma par Fermi, a permis le lancement d’une large campagne de suivi par des télescopes dans le monde entier. Elle a permis de déterminer que ces ondes ne provenaient pas de la fusion de trous noirs, mais de la coalescence de deux étoiles à neutrons. Cette nouvelle source d’ondes gravitationnelles émet de la lumière qui a été observée dans les heures, jours et semaines qui suivirent par plus de 70 observatoires sur Terre et dans l’espace. Les don- nées LIGO-Virgo ont montré que les deux astres ayant fusion- né, sont situés à environ 130 millions d’années-lumière de la Terre. Les masses de ces astres ont été estimées entre 1,1 et 1,6 fois celle de notre Soleil, c’est-à-dire dans la gamme de masses des étoiles à neutrons. Une étoile à neutrons mesure environ 20 km de diamètre mais est si dense qu’une cuillère à café d’un tel astre pèse environ un milliard de tonnes. Au moment de la collision, la majeure partie des deux étoiles à neutrons a fusionné pour former un objet ultra-dense, tout en émettant des rayons gamma. Les mesures de ce sursaut gamma, combinées à la détection des ondes gravitation- nelles, confortent la théorie de la relativité générale d’Einstein qui prédit que les ondes gravitationnelles se propagent à la vitesse de la lumière. Vers une nouvelle astronomie La révolution des ondes gravitationnelles marque l’avè- NEMENT DUNE ASTRONOMIE DITE i MULTI
MESSAGERS w ,ES Photo 3 : Vue intérieure de l’une des deux branches de trois km de l’interféromètre Virgo – Crédit photo : Cyril Fresillon/Virgo/CNRS Photothèque. ACTUALITÉS REE N°5/2017 ◗ 23 réponses à de nombreuses questions apparaissent peu à peu : l’énigme des sursauts gamma, l’origine des éléments chimiques les plus lourds, ou l’étude des propriétés des étoiles à neutrons. Mais la grande révolution réside dans la possibilité de faire des mesures indépendantes de la vitesse d’expansion de l’Univers. Les travaux de Rainer Weiss, Barry Barish et Kip Thorne, ONTUNENOUVELLEFOISiBOULEVERSÏLEMONDEw CESTUNERÏ- VOLUTIONDENOTRECONNAISSANCEDEL5NIVERSiALLANTJUSQUAU C“UR DU "IG "ANG w SELON LA FORMULE DE 'ÚRAN (ANSSON secrétaire général de l’Académie royale des sciences. ■ AD Alain Brillet et Thibault Damour, lauréats 2017 de la médaille d’or du CNRS Le CNRS a attribué en 2017 deux médailles d’or aux physiciens Alain Brillet et Thibault Damour. Spécialiste des lasers ultra stables, Alain Brillet, par ses travaux sur les détecteurs d’ondes gravitationnelles, est l’un des pères de l’instrument européen Virgo pour lequel il a développé des solutions innovantes dans le domaine des lasers et de l’optique. Thibault Damour est spécialiste des trous noirs et du rayonnement gravitationnel, il a conduit des travaux déterminants dans l’analyse des données des détecteurs d’ondes gravitationnelles. Thibault Damour est lauréat de nombreuses récompenses internationales. Photo 4 : Alain Brillet. Crédit photo : M. Perciballi ; Vergne/IHES. Photo 5 : Thibault Damour. Crédit photo : M. Perciballi ; Vergne/IHES. Eoliennes flottantes : deux inaugurations importantes mais beaucoup d’incertitudes demeurent Le 18 octobre 2017, la ferme d’éoliennes flottantes HyWind de 30 MW, ancrée à 25 km des côtes, non loin d’Aberdeen au Nord de l’Ecosse, a été raccordée au réseau et a commencé à produire de l’électricité. Le 13 octobre, la première éolienne flottante française, baptisée Floatgen, d’une puissance de 2 MW, a été inaugurée à Saint-Nazaire avant d’être remorquée cet hiver en pleine mer vers son site d’amarrage. Deux réalisations importantes mais qui devront faire leur preuve avant de confirmer le potentiel de cette nouvelle filière. Le projet Hywind Le projet Hywind a été lancé sous la maîtrise d’ouvrage conjointe de Statoil (75 %) et de Masdar (25 %). Il comporte cinq éoliennes très puissantes, construites par Siemens, de 6 MW chacune, conduisant à une puissance cumulée de 30 MW (figure 1). L’idée du projet est née au début des années 2000 dans l’esprit de deux ingénieurs norvégiens passionnés de voile, Dag Christensen et Knut Solberg, qui avaient noté qu’en installant en mer une éolienne par km2 dans un carré de 70 km par 70 km, il était possible de doubler la production électrique de la Norvège. Le projet a depuis fait son chemin et après huit années d’expérimentation au large de Karmoy (Norvège), a conduit à l’installation de cinq gigantesques tur- bines assemblées en Norvège, dotées chacune d’un mât de 176 m de hauteur et d’un rotor de 156 mètres de diamètre. Ce parc constitue la première réalisation alimentant un ACTUALITÉS