Astrophysique spatiale
publicité
Astrophysique spatiale Vue d’artiste du satellite Gaia (Agence Spatiale Européenne); Nébuleuse de la Méduse autour de l’étoile EP Aqr (Herschel; ESA) La mise en orbite d’observatoires spatiaux bénéficie largement aux recherches en astrophysique. En effet, l’atmosphère terrestre est opaque à la plus grande partie du rayonnement électromagnétique. Pour observer les astres dans les fenêtres gamma, X, ultraviolettes et infrarouges, des télescopes doivent donc être placés au-dessus de l’atmosphère. En outre, celle-ci est sujette à des mouvements turbulents qui causent la scintillation des étoiles observée depuis le sol et limitent le pouvoir de séparation angulaire. L’astrophysique spatiale à l’ULB Les recherches en astrophysique menées à l’Institut d’Astronomie et d’Astrophysique (IAA) concernent l’évolution et la structure des étoiles simples ou binaires, et la dynamique de notre Galaxie. Au cours de leur évolution, les étoiles transmutent les éléments chimiques par des réactions nucléaires. Les signatures de ces transmutations apparaissent à la surface des étoiles, qui présentent dès lors des anomalies de composition chimique (par rapport à la référence que constitue la composition chimique du système solaire). L’équipe de l’IAA a ainsi découvert des étoiles riches en carbone, fluor, plomb ou technétium, ce dernier étant un élément chimique sans aucun isotope stable. Pour détecter ces éléments chimiques, il est souvent nécessaire de recourir aux télescopes spatiaux, car les signatures de ces éléments ne sont visibles que dans l’ultraviolet ou l’infrarouge. Lors des stades avancés de leur évolution, les étoiles éjectent une grande partie de leur matière dans le milieu interstellaire sous la forme d’un «vent» stellaire (voir l’image de la Nébuleuse de la Méduse ci-dessus). Ce vent donne naissance aux poussières d’étoiles, qui sont détectables par leur rayonnement infrarouge. L’IAA contribue à l’analyse des données recueillies par le satellite Herschel de l’Agence Spatiale Européenne, et ces données permettent de préciser la minéralogie de ces grains de poussière, dont certains se retrouvent aujourd’hui au sein des météorites tombant sur la Terre. La cartographie détaillée de notre Galaxie est un autre thème de recherches de l’IAA. En 2013, l’Agence Spatiale Européenne lancera le satellite Gaia (illustré ci-dessus) qui aura pour mission de recenser les positions et mouvements d’un milliard d’étoiles de notre Galaxie. La précision sur les positions d’étoiles atteinte par ce satellite équivaut à être en mesure de localiser la position d’une pièce d’un euro à la surface de la Lune. L’IAA est impliqué (i) dans la préparation des logiciels utilisés par ce satellite pour découvrir tout mouvement anormal d’une étoile, causé par exemple par la présence d’un compagnon stellaire voire même planétaire ; (ii) dans les programmes de suivi au sol destinés à caractériser la composition chimique des étoiles observées par Gaia, afin d’obtenir une vision globale de l’évolution chimique et dynamique de notre Galaxie. Les études La filière à suivre pour mener ces recherches est le Master en sciences physiques (à finalité approfondie) avec un travail de fin d’études et ensuite une thèse de doctorat en sciences (physiques) réalisés à l’IAA. Quelques exemples de cours d’astrophysique dispensés lors du Master en physique: • Evolution des étoiles simples et binaires • Astrophysique galactique • Atmosphères stellaires • Théorie de la nucléosynthèse • Cosmochimie et planétologie • Relativité générale • Cosmologie • Questions avancées d’astrophysique observationnelle • Phénoménologie des particules et astroparticules La diffusion de l’astronomie auprès du public L’IAA participe activement au Cours Public d’Astronomie, donné actuellement sous l’égide du Conseil de l’Education Permanente de l’ULB (CEPULB), mais initié par Adolphe Quetelet en 1823 ! A l’issue du cours public (le mercredi à 19h, d’octobre à mars), les participants sont invités à observer le ciel à la coupole astronomique du Campus du Solbosch. Voir aussi le module d’astrophysique spatiale (http://www.astro.ulb.ac.be/ pmwiki/pub/CPA/Diapo/2008-2009/astro_spat_1.pdf). L’asbl Clés pour l’Univers infuse l’astronomie dans des lieux d’enfermement (hôpitaux, prisons, maisons de repos). Pour tout complément d’information : Cours d’astrophysique : http://www.astro.ulb.ac.be/pmwiki/Teaching Master en physique : http://depphys.ulb.ac.be/?page_id=13 Cours public d’astronomie, tout public : http://www.astro.ulb.ac.be/CPA Clés pour l’univers asbl : http://www.astro.ulb.ac.be/CPLU Institut d’Astronomie et d’Astrophysique : http://www.astro.ulb.ac.be Campus Plaine – CP 226 - Boulevard du Triomphe - 1050 Bruxelles Tel : 02 6502842 ou 02 6502834 E-mail : [email protected] Service d’information sur les études à l’ULB : 02 650 36 36 : [email protected] Repousser les frontières: explorer l’espace pour comprendre la Terre - Comprendre la naissance de notre système solaire, d’un nuage de gaz et de poussière, jusqu’aux planètes, lunes, astéroïdes et comètes tels que nous les observons aujourd’hui. - Comprendre les changements que notre Terre a vécus en 4.5 milliards d’années, depuis une boule de magma inhabitable et sans cesse bombardée, jusqu’à ces continents hospitaliers qui hébergent la vie. - Comprendre comment cette vie a façonné, et transforme encore la surface terrestre. - Comprendre l’impact des phénomènes géologiques naturels sur notre atmosphère en l’observant depuis l’espace. Observation satellite Il y a quatre milliards d’années, les gaz émis par les volcans ont créé l’atmosphère primitive de la Terre. Depuis lors ils n’ont cessé de contribuer à la régulation de sa composition chimique. Par exemple, une injection massive de gaz volcanique dans la stratosphère peut refroidir le climat global de plusieurs degrés. A proximité du volcan, les panaches de gaz provoquent des pluies acides qui nuisent à l’agriculture et aux écosystèmes. Les gaz volcaniques donnent aussi des indications sur les conditions qui règnent à l’intérieur du volcan. La mesure de leur composition et de leur débit permet de prévoir les éruptions dévastatrices. Au Département des Sciences de la Terre et de l’Environnement, nous développons des méthodes pour mesurer un des principaux gaz volcanique, le dioxyde de soufre (SO 2) avec des images satellites. Nous validons également ces méthodes par des mesures simultanées depuis le sol. Les satellites permettent d’observer les émissions de SO2 à une échelle plus large, afin d’en évaluer l’impact sur l’atmosphère. Notre laboratoire surveille également, au moyen d’images satellites, la température de lacs de cratères en Indonésie et aux Philippines. Exploration spatiale De 1969 à 1972, les différentes missions Apollo ont rapporté sur Terre quelques centaines de kilos de roches provenant de la Lune. Leur étude, toujours en cours, a permis de comprendre le couple TerreLune via la formation de la Lune suite a un impact avec la Terre environ 50 millions d’années après la formation du système solaire. Depuis 1996, des petits robots (Pathfinder, 19961997 ; Spirit et Opportunity, 2003-présent ; Phoenix, 2008-2009) parcourent la surface martienne pour nous rapporter des photos, et surtout analyser la chimie des roches rencontrées afin de nous donner des indications sur la composition chimique de la croûte martienne. Les données collectées sont disponibles pour la communauté des Sciences de la Terre afin de pouvoir les interpréter en terme de composition de la planète Mars. Météorites L’étude des météorites nous offre un champ d’investigation infiniment plus vaste que celui offert actuellement par l’exploration de la Lune et de Mars. Les météorites primitives échantillonnent la ceinture d’astéroïdes, contenant des roches aussi vieilles que le système solaire lui-même. Leur étude permet de comprendre comment les différentes planètes se sont formées et ont évolué. Certaines météorites lunaires viennent de la face cachée de la Lune, jamais explorée par l’homme tandis que les météorites martiennes nous offrent une perspective de la géologie de Mars que les robots ne peuvent pas encore donner. Chaque année, des dizaines de météorites sont retrouvées, apportant chacune leur lot d’information sur notre système solaire. Au Département des Sciences de la Terre et de l’Environnement, plusieurs spécimens de météorites sont analysés au moyen de techniques pointues de spectrométrie de masse, permettant ainsi d’étudier la formation de notre système solaire, des planètes rocheuses et finalement, de la Terre. Pour plus de renseignements Bachelier et master en Sciences de la Terre Département des Sciences de la Terre et de l’Environnement Faculté des Sciences Campus du Solbosch Bâtiment D, niveau 5 Contact : Nadine Mattielli ([email protected]; 02/650.47.14) Alain Bernard ([email protected]; 02/650.22.53) http://www.ulb.ac.be/sciences/dste/ Service d’information sur les études à l’ULB : 02 650 36 36 : [email protected] Gaia, au coeur d’une mission spatiale Copyright EADS Astrium Même avec les télescopes les plus modernes, qu’ils soient au sol ou dans l’espace, aucune étoile ne nous a jamais communiqué directement sa distance, sa composition chimique ou la masse de son compagnon! Avant de pouvoir extraire un quelconque nouveau savoir des mesures obtenues avec ces instruments. il importe d’en maîtriser les défauts, accidentels ou inerrant à la technique d’observation, afin de les modéliser pour ensuite en débarrasser les observations. Nettoyées de ceux-ci, ces mesures seront modélisées pour, in fine, fournir les données directement exploitables par les scientifiques ‘en col blanc’. Avec Gaia, que l’on soit ingénieur ou astrophysicien théorique, statisticien ou informaticien, tout le monde peut trouver à quoi appliquer son expertise. Gaia à l’ULB La mission Gaia de l’Agence Spatiale Européenne (ESA) vise à observer durant 5 ans de l’ordre du milliard d’étoiles. Son lancement est prévu pour le août 2013. Le satellite est doté d’instruments pouvant mesurer à la fois la position, l’éclat et le mouvement des objets, permettant ainsi la modélisation de la dynamique de notre Galaxie avec une précision jamais égalée. Afin de convertir les observations en résultats scientifiques, l’ESA a fait appel à la communauté pour qu’elle fournisse les outils tant matériels que logiciels. La mission ne sera un succès que si tous ces rouages tournent sans le moindre accroc. Qu’on construise un détecteur des raies spectrales des étoiles ou qu’on écrive la routine qui lit les signaux perçus par ce détecteur pour en sortir la longueur d’onde de ces mêmes raies, le scientifique en col blanc ne sera content que si toute la chaîne est au point. La responsabilité scientifique d’un important segment de cette chaîne incombe à un membre de l’Institut d’Astronomie et d’Astrophysique de l’ULB. Il s’agit du segment de traitement des objets autres que des étoiles isolées: objets du système solaire, étoiles multiples, avec d’éventuels compagnons planétaires et objets étendus comme les galaxies. D’autres membres de l’Institut ont hérité, eux, de la responsabilité logicielle de portions de ce segment: binaires à éclipses, astrométriques ou résolues. Les effets de taches sur la surface de certaines étoiles sont également étudiés et pris en compte. Avoir la responsabilité logicielle de certaines portions de la chaîne de traitement ne se réduit heureusement pas à fournir 10 lignes de code qu’on écrit pour soi. La responsabilité logicielle est avant tout une responsabilité scientifique: la science qui se trouve dans le code doit être sans faille, à jour et néanmoins adaptée à la nature des observations. Que le code fasse 100, 1000 ou 10000 lignes, il doit être autonome et robuste. Il est donc soumis à des contrôles de qualité à la hauteur de l’envergure internationale du projet. Y participer, c’est donc se frotter à des aspects auxquels les études ni en physique ni en informatique ne préparent réellement! Les études La filière à suivre pour mener ces recherches est le Master en sciences (physique, mathématique, statistique ou informatique) à finalité approfondie avec une thèse de doctorat en sciences réalisée à l’IAA. La diffusion de l’astronomie auprès du public L’IAA participe activement au Cours Public d’Astronomie, donné actuellement sous l’égide du Conseil de l’Education Permanente de l’ULB (CEPULB), mais initié par Adolphe Quetelet en 1823 ! A l’issue du cours public (voir ci-dessous), les participants sont invités à observer le ciel à la coupole astronomique du Campus du Solbosch. Extra-muros, certains membres de l’IAA sont également impliqués dans la vulgarisation de l’astronomie auprès du grand public via des stages organisés depuis 1975 par l’ASBL Jeunesse & Science Pour tout complément d’information : • Gaia: http://www.rssd.esa.int/index.php?project=GAIA&page=index • Institut d’Astronomie et d’Astrophysique : http://www.astro.ulb.ac.be • Catalogue officiel des cours : http://banssbfr.ulb.ac.be/PROD_frFR/ bzscrse.p_prog_catalog • Cours public d’astronomie, tout public : http://www.astro.ulb.ac.be/CPA • Jeunesse et Science: http://www.jeunesse-et-science.be/ Campus Plaine CP 226 - Boulevard du Triomphe - 1050 Bruxelles Tel : 02 6503571 E-mail : [email protected] Service d’information sur les études à l’ULB : 02 650 36 36 : [email protected] LA RECHERCHE SPATIALE AU SERVICE DE CHIMIE QUANTIQUE ET PHOTOPHYSIQUE Le service de Chimie Quantique et Photophysique contribue à la recherche spatiale au travers d’études théoriques et en laboratoire des atomes et des molécules présentes dans l’espace, et par l’analyse de données satellitaires pour la surveillance de l’atmosphère terrestre. Thématiques de recherche Les activités du service de Chimie Quantique et Photophysique sont centrées sur l’étude d’atomes, de molécules et d’agrégats de petite taille, en phase gazeuse. Elles incluent des recherches fondamentales multidisciplinaires, alliant la spectroscopie expérimentale et théorique à la modélisation du transfert radiatif dans les atmosphères. Ces travaux impliquent le développement de technologies de pointe au laboratoire et sont directement en liaison avec la télédétection dans le cadre de missions satellitaires. Ils apportent des informations essentielles sur la composition des atmosphères planétaires et du milieu interstellaire. Certaines de nos activités se concentrent sur l’analyse des mesures fournies par des instruments de spectroscopie optique montés à bord de plates formes spatiales, dans le but de déterminer les distributions de concentrations des gaz présents à l’état de traces dans la basse atmosphère. Ce volet d’études permet, par la modélisation de la radiation atmosphérique et de son interaction avec l’environnement naturel, de contribuer à des thématiques environnementales telles que «chimie troposphérique, qualité de l’air et changements climatiques» ainsi qu’à des applications opérationnelles, dont la surveillance annuelle du trou d’ozone, l’identification et le suivi de l’activité volcanique et des grands feux. D’autres activités poursuivies sont basées sur des approches instrumentales en laboratoire, dont des techniques spectroscopiques laser et par interféromètrie de Fourier, parfois combinées à des expansions supersoniques de gaz. Elles visent à caractériser les propriétés intrinsèques et les signatures spectrales de molécules et de petits agrégats observés dans les atmosphères planétaires (la Terre, Vénus et Titan en particulier) et cométaires, ainsi que dans le milieu interstellaire. Au-delà de leur caractère fondamental, ces travaux conduisent à la détermination de données de base à vocation qualitative et quantitative, rassemblées dans des banques de données internationales et procurant des références indispensables aux études par télédétection spatiale. Enfin, nous poursuivons également des activités de nature théorique visant à calculer sur ordinateur des propriétés d’atomes et de molécules en relation avec divers phénomènes atmosphériques et astrophysiques. Citons, en particulier, l’étude de processus de transfert d’électrons qui jouent un rôle crucial dans la chimie d’atmosphères planétaires telles que la Terre, Mars et Vénus ainsi que des comètes, via l’interaction avec le vent solaire et provoquant probablement les émissions observées récemment par CHANDRA dans le domaine spectral des rayons X. Ces diverses recherches sont poursuivies dans le cadre de missions spatiales, dont ACE, CASSINI-HUYGENS, CHANDRA, IASI, MARS-EXPRESS, ROSAT, VENUS-EXPRESS, XMMNEWTON. Cursus universitaire Les recherches sont accessibles à des étudiants disposant d’un Master scientifique, plus particulièrement dans une des orientations suivantes : - Master en Sciences Chimiques - Master en Sciences Physiques - Master en bioingénieur : sciences et technologies de l’environnement - Master en ingénieur civil physicien Liens internet pertinents à l’ULB http://www.ulb.ac.be/cpm http://scqp.ulb.ac.be/specat Où nous trouver sur le Campus du Solbosch? Chimie Quantique et Photophysique Université libre de Bruxelles CP160/09 Michel Godefroid [email protected] Michel Herman [email protected] (et C. Clerbaux, P.F. Coheur, J. Liévin, N. Vaeck et J. Vander Auwera) Service d’information sur les études à l’ULB : 02 650 36 36 : [email protected] Observation de la Terre (ANAGEO/ULB) Dès 1850, Félix Tourmachon, surnommé NADAR, observe Paris à bord d’une montgolfière. La télédétection est née. Mais c’est seulement depuis les années ’60 que des satellites nous permettent d’observer les nuages et depuis 1972, la surface de la terre de plus ou moins près. Les images produites par les satellites d’observation de la Terre nous permettent avec un détail variable de reconnaître et d’analyser des objets ou phénomènes terrestres. En effet, à bord de ces satellites des capteurs dits passifs enregistrent la réflexion du soleil dans les longueurs d’onde du visible à l’infrarouge thermique. Le groupe de recherche Analyse Géospatiale de l’IGEAT utilise ces images pour cartographier l’utilisation du sol (bâti, routes, forêts, champs, …), suivre son évolution (croissance urbaine, …) et la modéliser. Nous utilisons principalement des images à haute résolution (taille d’un pixel entre 10 m et 100m capteurs : SPOT, LANDSAT TM, ASTER,…) et très haute résolution (taille d’un pixel inférieur à 10m, capteurs : Quickbird, Ikonos, GeoEye,…). Image LANDSAT ETM+ de Bruxelles (résolution spatiale de 30m, en infrarouge fausses couleurs : la végétation est en rouge et la ville en bleu) et Image Quickbird (résolution spatiale de 2.4m). L’arrivée de nouveau capteurs, fournissant des images de plus en plus détaillées tant du point de vue des longueurs d’onde que de la résolution spatiale, pousse à mettre au point de nouvelles méthodes d’interprétation pour cartographier l’utilisation du sol : les différents types de bâtiments, de végétation, les routes, les champs et prairies, les lacs, ... Présentons quelques projets de recherche en cours dans notre groupe de recherche. L’épidémiologie En Europe méditerranéenne, le virus de la maladie de la langue bleue affectant les moutons est transmis par des moucherons piqueurs du genre Culicoïdes. La distribution spatiale de la maladie de la langue bleue est notamment liée au mode de vie des moucherons qui la transmettent. C’est pourquoi, d’une part on piège et compte les moucherons dans les fermes localisées sur carte, et d’autre part on cartographie l’habitat de ces moucherons (zones humides) à partir d’images satellitaire. La modélisation des relations entre les zones humides et la présence et l’abondance de ces moucherons appuiera la lutte contre la maladie de la langue bleue. Estimation de la population Si la population est bien connue dans nos pays développés, il n’en est pas de même partout dans le monde. Dans les pays peu développés et en particulier en Afrique, on ne sait pas très bien combien il y a de personnes, ni où elles vivent. C’est ainsi qu’à l’échelle d’une ville, on peut utiliser une cartographie des bâtiments dérivées d’une image satellitaire à très haute résolution en la combinant à une enquête démographique auprès des ménages pour estimer la population. Cursus universitaire permettant de réaliser ce genre de recherches Master en science géographique Master en bio-ingénieur (option sciences et technologie de l’environnement à finalité spécialisée). Coordonnées du service IGEAT/ANAGEO Eléonore Wolff Université libre de Bruxelles – Campus de la plaine (Bâtiment S-Accès 5) Boulevard du Triomphe – CP246 1050 Ixelles Teléphone : 02/650.50.76 Site IGEAT : http://www.ulb.ac.be/igeat Service d’information sur les études à l’ULB : 02 650 36 36 : [email protected] Télescopes spatiaux du futur Description de la recherche Hubble (1990) (Source : NASA) L’astronomie a été révolutionnée par le télescope spatial Hubble qui a pu échapper aux contraintes liées à l’atmosphère terrestre. Le vide de l’espace permet non seulement d’observer avec une plus grande netteté, mais donne aussi accès à des longueurs d’onde de la lumière qui sont bloquées par l’atmosphère terrestre, comme une partie de l’infrarouge. Pour pouvoir étudier des planètes en dehors du système solaire, connaître les débuts de l’Univers et observer la Terre avec plus de précision, il faudra construire des télescopes de plus en plus grands. Le télescope Herschel, mis en orbite récemment par l’Agence Spatiale Européenne, est maintenant le plus grand télescope dans l’espace, avec un miroir primaire de 3.5 m de diamètre, ce qui est déjà très proche de la taille maximale qui peut être lancée par les fusées actuelles. Prototype de miroir segmenté ultra-léger développé à l’ULB : Dans cette approche, le miroir total est composé d’un ensemble de petits miroirs ou segments. Pour garantir des performances optimales, proches de celles d’un miroir classique, il faut contrôler en temps réel la position et la forme de chaque segment Vue arrière des segments et de leur réseau d’électrodes en or; celles-ci sont reliées à l’électronique de contrôle par des connecteurs flexibles Le diamètre des futurs télescopes atteindra plusieurs dizaines de mètres ; ils devront être pliés pendant le lancement et déployés pour atteindre leur forme finale avec une précision de l’ordre de 10 nm (0.00001 mm) une fois qu’ils seront en orbite. Dans ce but, des solutions comme les miroirs segmentés ou les réflecteurs constitués par des membranes très minces (tendues par gonflage par exemple) sont envisagées. Mais pour maintenir leur forme avec la précision voulue malgré les erreurs de production et de déploiement et les perturbations causées par les changements thermiques et gravitationnels, il faudra mesurer ces déviations et les corriger activement. Ces télescopes deviendront donc robotisés. Cursus Universitaire Ce type de recherche s’adresse principalement à des ingénieurs ayant suivi une spécialité à orientation mécanique ou mécatronique. Lien De plus amples informations sur ce projet et sur d’autres systèmes robotiques peuvent être trouvées sur le site internet du laboratoire : http://www.ulb.ac.be/scmero Contact Renaud Bastaits ([email protected]) Service des Constructions Mécaniques et Robotique Université Libre de Bruxelles 50, Av. F.D. Roosevelt, CP 165/42 1050 Bruxelles Service d’information sur les études à l’ULB : 02 650 36 36 : [email protected]
