forum 360 OBSPM 30 sep 2009



Mise à jour le 3 Octobre 2009


Observatoire de Paris en cette belle journée (© JPM)

OPEN FORUM : UNE EXPLORATION À 360° DU DIALOGUE ENTRE SCIENCE, ART ET SOCIÉTÉ CIVILE.
30 Septembre 2009 à 15h – Observatoire, 61 Av. de l’Observatoire, 75014 Paris Inauguration par le Président D. Egret et le Prix Nobel de Physique G. Smoot

Photos : JPM pour l'ambiance (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)
Pour les autres photos voir les indications.



INTRODUCTION.
Dans le cadre de l’Année Mondiale de l’Astronomie (AMA09), l’Observatoire de Paris et l’École Normale Supérieure organisent le 1er Open Forum "exploration à 360°" sur une proposition de la journaliste/anthropologue Paola Antolini en préambule à la Nuit Blanche de l’Année Mondiale de l’Astronomie 2009.

À l’occasion du 400ème anniversaire de l’invention de la lunette astronomique par Galilée en 1609, la communauté scientifique internationale, avec deux Prix Nobel, Claude Cohen - Tannoudji, et George Fitzgerald Smoot, les artistes avec Jean Michel Jarre et Lucien Clergue, entre autres et toute la société civile, ont mobilisé leurs efforts pour offrir une rencontre inédite, et une réflexion interdisciplinaire sur l’exploration à 360°.
Dès cette invention de Galilée, véritable explorateur céleste, notre Cosmos s'est révélé d'une richesse étonnante: montagnes et cratères de la Lune, phases de Vénus, satellites de Jupiter, taches du Soleil…
Ces explorations, ces visions inattendues de nouveaux mondes, ces découvertes, révolutionnaient notre philosophie de l'univers, et poussaient à améliorer l'instrumentation en vue d'autres découvertes. Mais qu’apercevait-on dans la lunette de Galilée?
Une nouvelle conscience du monde - imago mundi - et une vision inédite de la place de l’être humain dans l’univers: «… Un néant à l'égard de l'infini » disait Blaise Pascal en 1652.



Quelques mots d'introduction de Paola Antolini, le tableau noir derrière, est le tableau noir de François Arago qui servit aux premiers cours d'astronomie populaire.


Daniel Egret, le Président de l'Observatoire de Paris accueille et remercie les participants et le public.	Public attentif et impressionné par la présence de si hautes personnalités, malgré une acoustique déplorable.



BREF COMPTE RENDU

Accès direct et plan :
· Le design de l'Univers par G Smoot
· Manipulation d'atomes par la lumière par C Cohen-Tannoudji
· Table ronde I : Héritage Scientifique et avenir
· Table ronde II : Les valeurs de l’exploration scientifique dans des sociétés en mutation
· Table ronde III : Explorateurs de la création artistique.
· Tir Laser sur le Méridien de Paris.

Bravo encore à Paola Antolini pour avoir réuni tant de talents en un même lieu et au même moment.



LE DESIGN DE L'UNIVERS PAR GEORGE SMOOT, PRIX NOBEL DE PHYSIQUE 2006.


George Smoot, est un cosmologiste américain, qui reçu le Prix Nobel de Physique avec son collègue John Mather pour leur contribution à la mise au jour du bruit de fond cosmologique (CMB) grâce au satellite COBE (Cosmic Backgound Explorer).

Rappelons que ce bruit de fond avait été découvert par A Penzias et R Wilson en 1960.


Il est professeur à Berkeley en Californie et il occupe la chaire Blaise Pascal à l'Université Paris-Denis Diderot.










Très malicieusement dans le titre de son exposé il fait apparaître le terme CSI (Crime Scene Investigation, mais en français c'est le titre d'une série TV : Les Experts) qu'il détourne de sa signification d'origine en :
Cosmic Scene Investigation

Il commence son intervention par une des photos les plus célèbres de l'astronomie : le Champ profond de Hubble (le Hubble Deep Field).

Tout n'est que galaxies dans ce tout petit coin du ciel à 'exception de quelques étoiles proches que l'on reconnaît facilement.




La question est : comment toute cette matière s'est formée et comment a-t-elle atterri à cet endroit; c'est le but de la cosmologie. Comment l'Univers a-t-il commencé et a-t-il mis en forme toute cette matière?

L'univers est un ensemble de sphères qui s'imbriquent les unes dans les autres comme on le voit sur les deux diapos suivantes.




En regardant de plus en plus loin, donc de plus en plus vieux dans le temps on arrive à une époque où il n'y avait pas encore ni d'étoiles ni de galaxies : l'Univers était très chaud et très dense. Le début de l'Univers (et du temps!) sur cette diapo de droite, il est à l'extérieur, car étant trop dense, aucune lumière ne s'échappait.
Ce que l'on voit seulement de cette époque, c'est le reste de cette première lumière qui s'échappe : elle est terriblement uniforme et homogène, c'est ce que l'on appelle le bruit de fond cosmologique.

Les mesures relatives à ce bruit de fond se sont améliorées au fur et à mesure du temps :
· Le satellite Cobe lancé en 1989
· Le satellite WMAP lancé en 2000
· Puis le nouveau satellite Planck lancé récemment en 2009
Les séquences de compréhension u début de l'Univers devraient être de plus en plus intéressantes.

Étoiles et galaxies ne seraient que l'écume à la surface de l'océan "espace-temps".



Comment se rend-on compte de la structure de l'Univers : avec des études du ciel (sky surveys en anglais) comme par exemple le SDSS (Sloan Digital Sky Survey) qui nous montre des millions de galaxies se répartissant selon certaines configurations des murs (walls) et des vides (voids).

Chaque point sur cette carte est une galaxie.


On peut voir cette représentation aussi en 3D sur ce site (on peut choisir les versions).







Comment peut on fabriquer des modèles de cet Univers en formation : en effectuant des simulations avec d'énormes calculateurs et en observant les résultats, s'ils correspondent à ce que l'on observe maintenant dans le ciel, le modèle est juste.

On part d'un volume donné (cube de quelques milliards d'années lumière de côté), dans lequel on met des "ingrédients" (10 milliards de particules de matière par exemple) et on laisse jouer la force la plus importante dans l'Univers : la gravitation, on est aussi obligé d'ajouter un autre ingrédient dans la soupe : la matière noire, sans cela on n'aboutit à rien.

Une de ces simulations célèbres est le projet Millenium de nos amis allemands du MPI.
On peut en voir une vidéo ICI.


G Smoot conclue en espérant que le nouveau télescope européen Planck permettra d'améliorer encore les résultats de ses prédécesseurs.
L'avantage de Planck par rapport à COBE et WMAP étant :
· Un plus grand nombre de personnes impliquées dans le projet
· Changement de standard dans les instruments
· Une plus grande précision

De plus Planck devrait aussi permettre de mesurer la forme de l'Univers et probablement de confirmer sa très grande platitude.





POUR ALLER PLUS LOIN.

Biographie de G Smoot en français.

Une vidéo d'une présentation similaire à celle d'aujourd'hui (très bien faite).

Le CR de la conférence de Valérie de Lapparent sur les murailles et vides cosmiques à l'IAP.

3D Map of Universe Bolsters Case for Dark Energy and Dark Matter.

http://astro.uchicago.edu/cosmus/projects/

Les grands sondages de l'Univers CR de la conf d'Olivier Lefèvre à l'IAP.







MANIPULATION D'ATOMES PAR LA LUMIÈRE, MESURE DU TEMPS PAR CLAUDE COHEN-TANNOUDJI




Claude Cohen-Tannoudji a un CV long comme la distance de la Terre à la Lune, docteur, thèse sur le pompage optique, CNRS, Collège de France etc..il est en poste actuellement au Laboratoire Kastler Brossel de l’École Normale Supérieure et au Collège de France à Paris.

Il travaille également à l’Institut Francilien de Recherche sur les Atomes Froids (IFRAF). Il est membre de l’Académie des sciences, il a été prix Nobel de physique en 1997 qu'il a partagé avec ses collègues S Chu et W Phillips, pour leur recherche sur « le développement de méthodes pour refroidir et piéger les atomes par l’intermédiaire de lasers ».


Que dire d'autre sur ce grand Monsieur, je ne résiste pas, c'était mon professeur de MQ (Mécanique Quantique) à Jussieu en 1968!!








La lumière est une source d'information sur les atomes : en effet ils peuvent absorber ou émettre des rayonnements électromagnétiques (les photons). Dans ces conditions, les atomes changent d’état d’énergie.
Ils retrouvent la stabilité en ré-émettant un rayonnement caractéristique, qui est une vraie signature ADN de l'élément correspondant.

Ce phénomène est la base de la spectroscopie qui est un outil indispensable de l'astronomie car elle permet d'analyser à distance la lumière de ces mondes inconnus.





Mais la lumière est aussi un outil de manipulation des autres atomes; quand un atome absorbe un photon, il acquiert les propriétés de ce photon (énergie, moment, polarisation). On pourrait donc modifier certains atomes en envoyant la lumière appropriée.

Un premier exemple est le pompage optique : il utilise le phénomène de résonance optique (absorption de lumière polarisée suivie de ré-émission) pour transférer aux atomes du moment cinétique. Cela permet d'orienter des atomes (moment cinétique et moment magnétique pointent dans une direction privilégiée).



Un deuxième exemple : le refroidissement Laser. L'absorption de photons venant tous de la même direction (faisceau Laser), donne naissance à une pression de radiation qui diminue leur vitesse, donc leur agitation et donc aussi leur température (la température est un degré d'agitation).
(C'est le même phénomène qui est à l'origine de la queue des comètes qui se présente opposée au Soleil).

C'est un refroidissement d'atomes, on aboutit à des atomes "ultra froids".

Dans un faisceau Laser résonant, la pression de radiation peut donner naissance à des décélérations de 10⁵ g.




Les forces exercées par les lasers sur les atomes permettent
· de réduire leur vitesse moyenne :
§ Ralentissement laser des atomes
· de réduire la dispersion de vitesse autour de la valeur moyenne (réduction de l’agitation désordonnée) :
§ Refroidissement laser des atomes

On peut ainsi atteindre des températures de l'ordre du microKelvin et même du nanoKelvin et de vitesse atomique de l'ordre du mm/s, alors qu'à température ambiante elle est de l'ordre du km/s.


UNE APPLICATION DES ATOMES ULTRA FROIDS : LES HORLOGES ATOMIQUES.




Principe d'une horloge atomique :

On dispose d’un oscillateur dont la fréquence est assujettie à rester égale à la fréquence n d’une transition atomique (atome de Césium)
La fréquence de transition est bien connue, n'oublions pas que c'est cette transition hyperfine du césium qui fixe la seconde par convention.
Un système de contre réaction permet de tester et de corriger régulièrement les variations éventuelles de l'oscillateur.

On obtient ainsi des fréquences ultra précises.

Ce dispositif est appelé fontaine atomique.





Les atomes sont d'abord confinés par un Laser, puis on les fait partir vers le haut et retombent naturellement par gravité, d'où le nom de fontaine.

En fait le procédé est plus complexe, reportez vous aux diverses références à la suite de ce texte.


Il existe des fontaines atomiques de par le monde :
· Fontaine au Sodium de Stanford avec S Chu
· Fontaine au Césium du BNM/SYRTE avec C Salomon et A. Clairon.

La stabilité de tels équipements est phénoménale :
10^-16 ce qui correspond approximativement à une erreur d'une seconde sur 300 millions d'années!!!




ET LE FUTUR?

Le futur se jouera dans l'espace, avec notamment le projet ACES (Atomic Clock Ensemble in Space) avec comme élément central l'horloge PHARAO.
C'est un projet européen (CNES/ESA) qui a pour but de mettre une horloge atomique à bord de l'ISS (en position externe sur Colombus); afin de tester la relativité générale et de servir de référence temporelle notamment pour les réseaux GPS.
ACES devrait aussi pouvoir tester la "constance" des constantes, notamment celle de la constante de structure fine et voir si elle évolue dans le temps.


Et de conclure avec cet intéressant diagramme représentant l'évolution dans le temps de la précision de mesure du temps justement.

Les carrés noirs correspondent aux horloges atomiques à Cs, et les fontaines atomiques.

Les ronds rouges correspondent à des horloges optiques, (ce sont des horloges atomiques qui utilise une transition optique plutôt que micro onde pour verrouiller la fréquence de l’horloge) horloges atomiques de nouvelle génération, comme celle du NIST (National Institute of Standards and Technology) qui frôle les 10^-17 de précision.










Chaque progrès en recherche fondamentale mène inévitablement quelques temps après à des révolutions technologiques.


Les horloges atomiques sont un bon exemple de cette philosophie.


La technologie que nous utiliserons dans 10 ou 20 ans sera très vraisemblablement basée sur les recherches fondamentales d’aujourd’hui.











POUR ALLER PLUS LOIN.

Le site de CCT.

Manipulating atoms with photons , article de CCT de la Revue of Modern Physics de 1998.

Laser cooling and trapping of neutral atoms de William Philips dans la même revue.

Les atomes ultra-froids par CCT

De la lumière laser aux atomes ultrafroids, présentation pdf de l'équipe de CCT au Labo Kastler. (en français)

Le refroidissement des atomes par laser article du CNRS.

Conférence de CCT à la SFP sur le sujet en 1997.

Lumière et Matière ; de la Recherche Fondamentale aux Applications, conférence en pdf de CCT de 2008, à voir absolument.

Horloges atomiques par P Lemonde du Syrte.

Horloges à atomes froids et mesure du temps par C Salomon du Laboratoire Kastler.

Clocks in Space; Fundamental Tests presentation pdf par C salomon.

L'horloge atomique Pharao.

L'horloge Pharao au CNES.







TABLE RONDE I - HÉRITAGE SCIENTIFIQUE ET AVENIR


Table ronde avec deux exposés intéressants :


« Galilée et Cassini en héritage: élargir l’horizon des connaissances classiques, les nouvelles missions d’exploration spatiales » par Enrico Flamini, Astrophysicien Directeur de l’exploration de l’univers à l’Agence Spatiale Italienne, ASI nouveaux projets : Juno de la NASA et EJSM de la collaboration ESA/NASA.	« Astronomie et patrimoine mondial : nouvelles perspectives » Anna Sidorenko, Architecte, Représentant du Centre du patrimoine mondial Coordinatrice de l’Initiative de l’UNESCO Astronomie et patrimoine mondial sur quels critères classer les sites astronomiques au patrimoine de l'humanité. Voir le site de l'IAU.








TABLE RONDE II : LES VALEURS DE L’EXPLORATION SCIENTIFIQUE DANS DES SOCIÉTÉS EN MUTATION





De g à d : Hector Parra, Compositeur en résidence de création à l'IRCAM-Centre Pompidou; Stefan Michalowski, Physicien, Secrétaire exécutif du Forum Mondial de la Science de l’OCDE, Daniel Egret Président de l'Observatoire de Paris, Dr Paola Antolini Journaliste Anthropologue; George Smoot Prix Nobel de Physique et Michèle Leduc, Physicienne Directrice de l’Institut Francilien de Recherche sur les Atomes Froids (IFRAF), ENS et Présidente de la Société Française de Physique,

Voici un extrait de quelques présentations.


MESURE DU TEMPS PAR MICHÈLE LEDUC DIRECTRICE DE L'IFRAF.



Michèle Leduc est Docteur en Sciences de l'Université de Paris, elle a été Directrice du Laboratoire Kastler Brossel (LKB) de l'ENS et a travaillé avec Claude Cohen-Tannoudji sur les atomes froids pour produire un condensat de Bose Einstein d'Hélium.


Elle est Directrice de l'IFRAF (Institut Francilien de Recherche sur les Atomes Froids) au LKB et actuellement Présidente de la SFP (Société Française de Physique).

Elle a été élue femme scientifique de l'année 2009.


Elle nous parle de l'évolution de la mesure du temps au cours des siècles.



Le Temps est une notion très subjective. Qu'est ce que le Temps? Et comment le comprendre et le mesurer?

Pour Platon, le Temps était inutile, alors qu'Aristote lui attribuait un rôle essentiel et que Pascal semblait croire qu'il était vain de le définir.

Le Temps a d'abord été mesuré à l'aide de phénomènes linéaires comme :
· Les clepsydres à écoulement d'eau;
· Les sabliers à écoulement de sable;
· Les bougies à combustion de cire etc…

Puis on en est venu à mesurer le temps à l'aide de phénomènes astronomiques; c'est l'époque des gnomons et cadrans solaires; mais la Terre n'a pas un mouvement régulier dans l'espace.
Néanmoins c'est elle qui va être pendant une longue période la gardienne du temps.
Avec :
1 journée de 24 h de période = 86400 secondes
1 année correspondant à la révolution solaire= 315 569 258,9747 secondes


Ce n'est qu'à partir du XIXème siècle que l'on commence à avoir des doutes sur la régularité du mouvement de la Terre, irrégularités qui ne seront mises vraiment en évidence qu'au début du XXème siècle.

Que faut il donc prendre comme référence pour conserver une certaine stabilité du temps?

On pourrait se tourner vers un oscillateur, et on mesurerait le temps en comptant le nombre d'oscillations par exemple, la qualité de la mesure dépendant de la stabilité de l'oscillateur.
C'est l'exemple du pendule, mais tout le monde se rappelle que la fréquence dépend de la longueur, de la pesanteur et donc du lieu d'observation.

On s'est donc tourné vers un autre oscillateur : l'atome!
En effet, un atome peut entrer en résonance lorsqu’il interagit avec une onde de fréquence appropriée, qui correspond à des transitions de l’atome entre des niveaux d’énergie bien particuliers .
Ces fréquences ne dépendent que des constantes fondamentales de la physique.
Remarquons encore qu'un atome ne vieillit pas, ne s’use pas …

Le Césium (Cs) est un atome particulièrement intéressant, il est lourd, liquide à température presque ambiante, facile à exciter; ceci explique que les premières horloges atomiques (1955) étaient à base de Cs.

On a donc définit la "nouvelle" seconde comme la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre deux niveaux de l’état fondamental de l’atome de césium 133.

La précision est alors de l'ordre de 1 seconde sur un million d'années.


La principale limitation c'est le temps d'observation des atomes, pour une information précise, il faut y passer du temps, donc si on peut ralentir les atomes c'est mieux.

On y arrive avec un Laser.

Cela aboutit aux fontaines atomiques dont nous a parlé CCT précédemment.




Une de ces fontaines atomiques se trouve au SYRTE (Systèmes de Référence Temps-Espace) de l'Observatoire de paris.

Il existe une douzaine de ces fontaines dans le monde, dont la précision est de l'ordre de 1 seconde pour 100 millions d'années.

Peut-on faire mieux; certainement avec le système Pharao dont nous avons parlé précédemment.



POUR ALLER PLUS LOIN.


De la clepsydre à l'horloge atomique présentation pdf.

Le temps atomique

La Mesure du temps par M Leduc, une de ses conférences précédentes en pdf.




LES LIMITES DE L'EXPLORATION COSMIQUE PAR STEFAN MICHALOWSKI, PHYSICIEN, OCDE



Stefan Michalowski, est Physicien, il est aussi Secrétaire exécutif du Forum Mondial de la Science de l’OCDE.

Il nous entretient des limites possibles de l'exploration cosmique.

En regardant la célèbre image du grand champ de Hubble, il nous pose la question de ce que l'on pourrait voir dans les zones sombres sans galaxies si on avait des instruments plus performants, et bien cela semble choquant, mais on ne verrait plus rien.

Il y aurait donc des limites aux découvertes.




Pour justifier cela il se base sur le livre de Martin Harwit "Cosmic Discovery".



D'après la courbe ci-contre qui indique le nombre de découvertes en astronomie en fonction des années, notre conférencier se basant sur l fait qu'il y a 43 phénomènes différents déjà découverts; nous prophétise un nombre maximum d'éléments nouveaux à découvrir de l'ordre de 100.

Ces éléments à découvrir ne sont pas des éléments déjà découverts comme SN ou galaxies etc.. mais des phénomènes encore inconnus.

Il semble déplorer ce fait en prétendant que bientôt, on aura tout découvert.

Je ne partage pas ce point de vue, car 100 éléments nouveaux, c'est un nombre important qui peut réclamer énormément de temps (une queue d'exponentielle c'est long jusqu'à l'infini!), et qui va donc donner beaucoup de travail à nos futurs chercheurs, c'est donc bon pour la Recherche.











TABLE RONDE III : EXPLORATEURS DE LA CRÉATION ARTISTIQUE.



De g à d : Jean-François Fortchantre, Photographe et Poète; Lucien Clergue, Premier Photographe élu à l’Académie des Beaux Arts, Daniel Egret Président de l'Observatoire de Paris; Jean Michel Jarre, Auteur Compositeur Interprète; Dr Paola Antolini, Anthropologue Journaliste; George Smoot, Prix Nobel de Physique; Jean-Louis Bougeret Directeur du LESIA.

Lucien Clergue nous dit combien il était fasciné par le cosmos, et a souligné l'importance fondamentale du soleil dans son travail.

Jean-François Fortchantre est président de l'association Albert Kahn, banquier devenu photographe reporter de son époque, A Kahn voulait faire connaître la planète à ses contemporains en créant son fameux jardin à Boulogne, à voir absolument, 72.000 tirages autochromes sont réunis et exposés dans l'annexe du jardin.

C'est Jean Michel Jarre qui conclue cette intéressante journée, il est nommé Ambassadeur de l'Unesco pour l'Astronomie, et nous présente comme point d'orgue à ce passionnant forum, une vidéo cosmique dont les images sont de L Clergue et la musique de JM Jarre.





TIR LASER SUR LE MÉRIDIEN DE PARIS.




Tir laser vert sur le Méridien de Paris organisé par les équipes scientifiques de l’Observatoire (SYRTE), en répétition au tir pour la Nuit Blanche du 3 Octobre.


Un moment inoubliable avec G Smoot!











Bon ciel à tous


Jean Pierre Martin membre de la SAF
www.planetastronomy.com
Abonnez-vous aux astronews du site en envoyant votre nom et e-mail.