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Actualité Optique et Photonique – Un « télescope » basé sur les rayons gamma

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Actualité Optique et Photonique – Un « télescope » basé sur les rayons gamma

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Une équipe de chercheurs de plusieurs universités japonaises a développé un observatoire de rayons gamma embarqué sur un ballon et constitué d'un ensemble de dizaines de films minces en émulsion. Les traces de particules dues au rayonnement apparaissent sous forme de petits points sur chaque couche de film individuelle. [Image: GRAINE collaboration]

À l'ère de la photographie numérique haute résolution instantanément disponible, il est facile de conclure que les anciennes technologies photographiques (les films traditionnels à base d'émulsion) n'ont pas grand-chose à offrir. Cependant, il semble que les films en émulsion aient encore leur utilité.

Exemple concret : dans des travaux récemment rapportés, une équipe scientifique basée au Japon a utilisé un nouveau « télescope » constitué d’une « pile de crêpes » de films d’émulsion pour imager les rayons gamma du lointain pulsar Vela avec ce que les auteurs disent être « le niveau le plus élevé ». « de résolution angulaire. pour tout télescope à rayons gamma à ce jour » (Astrophys. J., doi : 10.3847/1538-4357/ad0973). Heureusement, ils ont également profité d’une autre technologie aux racines historiques anciennes : un ballon scientifique pour faire voler le télescope basé sur un plateau de tournage en hauteur pour observer de plus près le ciel des rayons gamma.

Au cours d'un vol en ballon de 900 kilomètres à travers le centre de l'Australie, l'instrument à l'aspect inconfortable a pu capturer « plusieurs milliards de trajectoires » de paires électron-positon dérivées des rayons gamma, « avec une résolution de 1/10 000 mm », selon l'étude co. -auteur Shigeki Aoki de l'Université de Cuba. La résolution de l’instrument à film a permis de mesurer le pulsar avec une résolution « plus de 40 fois supérieure à celle des télescopes à rayons gamma conventionnels », ajoute Aoki.

Vers de meilleures mesures des rayons gamma

Bien entendu, les télescopes à rayons gamma ne manquent pas aujourd’hui. Par exemple, le télescope spatial à rayons gamma Fermi en orbite autour de la Terre, lancé en 2008, a effectué des observations révolutionnaires au cours de sa longue mission, tout comme d'autres missions spatiales telles que l'Observatoire intégral de l'Agence spatiale européenne. Plusieurs observatoires au sol scannent également le ciel aux rayons gamma.

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Le problème avec la technologie actuelle des télescopes à rayons gamma, selon la nouvelle étude, est qu'elle ne parvient pas à déterminer l'angle d'incidence des rayons gamma et n'est pas sensible à la polarisation. Améliorer ces lacunes est « la clé pour réaliser les prochaines avancées dans le domaine de l’astronomie des rayons gamma », affirment les auteurs.

Empiler des crêpes (tenir le sirop)

Un artiste se moque d'un détecteur à couche mince comme d'une pile de crêpes

Une photo de presse inhabituelle compare la pile de films d'émulsion dans le nouveau détecteur de l'équipe à une pile de crêpes, et le trajet des rayons gamma à une paille traversant la pile en biais. [Image: Kobe University]

Il y a plus de dix ans, les chercheurs à l’origine de cette nouvelle recherche ont trouvé une solution à ce dilemme. En empilant un grand nombre de films d’émulsion sensibles aux rayons gamma, ils peuvent capturer les trajectoires des paires d’électrons et de positons créées par les rayons gamma (grâce au processus de production de paires) lorsqu’ils traversent chaque couche de la pile de films.

Dans un communiqué de presse (et une photo quelque peu comique) accompagnant la recherche, une pile de films d'émulsion était comparée à une pile de crêpes. Tout comme l'angle de la paille collée sur la pile de tartes peut être mesuré par la position du trou dans chaque couche successive, de même l'angle d'incidence des rayons gamma sur la pile de films peut être retracé – avec des angles extrêmes. précision. Étant donné que l’azimut du plan de la paire électron-positon est lié (bien que faiblement) à la polarisation des rayons gamma, l’installation peut également être utilisée pour des mesures de polarisation.

Contrôler la situation et le temps

L’équipe a associé ce concept à des systèmes supplémentaires intelligents pour contrôler le lieu et l’heure de leurs observations par ballon. Le cœur de l’appareil, que les chercheurs appellent le « transducteur », est un empilement de 33 mm d’épaisseur de 100 couches de film, chacune mesurant 330 micromètres d’épaisseur et contenant chacune une couche d’émulsion de cristaux de bromure d’argent de 75 micromètres d’épaisseur. Le transducteur est conçu pour détecter et suivre les électrons et les positrons produits à travers la paire sur une distance statistiquement significative, permettant ainsi une mesure angulaire.

L’équipe devait également s’assurer qu’elle était capable de reconstruire l’emplacement exact (en particulier l’attitude) de l’instrument embarqué sur le ballon et le moment exact de chacun des trajets de rayons gamma qu’il capturait. Pour la première exigence, les chercheurs ont utilisé un réseau de trois caméras stellaires séparées de 90 degrés en azimut. Cela permet d'enregistrer l'orientation de l'instrument par rapport aux étoiles fixes, puis de mesurer et de corriger l'orientation de l'instrument à chaque observation.

Entre-temps, pour déterminer le timing, l'équipe a développé un « horodatage » innovant, composé de trois étages horizontaux de films multicouches supplémentaires, chaque étage oscillant d'avant en arrière sous le transformateur stationnaire à des vitesses uniformes mais différentes. Le déplacement relatif des trajectoires capturées dans les couches supérieures fixes du transformateur à travers les trois phases inférieures dépendant du temps permet un horodatage précis pour chaque événement de rayons gamma.

Premier voyage

En avril 2018, alors que les vents étaient favorables pour un vol entre Alice Springs et Longreach, dans le centre de l'Australie, des chercheurs ont emballé cet instrument inhabituel dans une gondole fermée et pressurisée et l'ont attaché à un ballon scientifique à haute altitude. Le ballon a transporté l'appareil à une hauteur de 38 kilomètres au-dessus de la surface de la Terre. Après un voyage de 17,4 heures et 900 kilomètres, la télécabine a été lancée et a dérivé vers la Terre en parachute, où elle a été récupérée par des scientifiques. Le vol est programmé pour inclure 6 heures pendant lesquelles le pulsar Velea – une étoile à neutrons en rotation rapide située à environ 800 années-lumière de la Terre – peut être observé en continu dans le ciel.

Pour donner un sens à la grande quantité de données collectées au cours du court vol, les chercheurs ont utilisé un système automatisé à haut débit récemment développé pour d’autres études sur les émulsions nucléaires. Ce système à grande vitesse, combiné aux données d'un convertisseur et d'une émulsion d'horodatage, leur a permis de développer une image du pulsar en tant que source ponctuelle, avec une résolution signalée plus de 40 fois meilleure que les efforts précédents.

« Nous avons obtenu l'imagerie de la plus haute résolution du pulsar Vela à ce jour et validé le fonctionnement du télescope à émulsion à rayons gamma à la résolution angulaire la plus élevée dans ce régime énergétique », a écrit l'équipe.

Prochaine étape : l'agrandissement

Même si ces premiers résultats semblent impressionnants, l’expérience Vela pulsar constitue essentiellement une preuve de concept et l’équipe a de grands projets pour l’avenir. Les chercheurs se concentreront particulièrement sur l’augmentation de la zone sensible du détecteur et la réalisation de vols plus longs. Ils amélioreront également l'efficacité du traitement des énormes données collectées par le système (peut-être un facteur important, à en juger par les plus de cinq années entre le vol d'avril 2018 et la publication du journal en décembre 2023).

« Grâce aux expériences scientifiques embarquées sur des ballons, nous pouvons essayer de contribuer à de nombreux domaines de l'astrophysique, en particulier en ouvrant les télescopes à rayons gamma à l'astronomie multi-messagers », a déclaré Aoki dans un communiqué de presse accompagnant la recherche, « où des mesures simultanées de la le même événement est nécessaire grâce à différentes techniques.

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La Chine et la France lancent un satellite pour mieux comprendre l’univers

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La Chine et la France lancent un satellite pour mieux comprendre l’univers

Xichang : Un satellite franco-chinois sera lancé samedi à la recherche des explosions les plus puissantes de l’univers, un exemple marquant de coopération entre une puissance occidentale et le géant asiatique.

Le Space Variable Object Observer (SVOM), développé par des ingénieurs des deux pays, recherchera des sursauts gamma dont la lumière a parcouru des milliards d’années-lumière pour atteindre la Terre.

Le satellite de 930 kilogrammes transportant quatre instruments – deux français et deux chinois – sera lancé à bord d’une fusée chinoise Longue Marche 2-C depuis une base spatiale de Xichang, dans le sud-ouest de la province du Sichuan.

Les sursauts gamma se produisent généralement après l’explosion d’étoiles massives – celles 20 fois plus massives que le Soleil – ou la fusion d’étoiles compactes.

Les rayons cosmiques extrêmement brillants peuvent émettre une explosion d’énergie équivalente à plus d’un milliard de soleils.

Uri Gottlieb, astrophysicien au Center for Astrophysics du Flatiron Institute de New York, explique à l’AFP que les observer, c’est comme « regarder en arrière dans le temps, car la lumière de ces objets met beaucoup de temps à nous parvenir ».

– ‘Beaucoup de mystères’ –

Les rayons portent des traces de nuages ​​de gaz et de galaxies qu’ils traversent au cours de leur voyage dans l’espace, ce qui constitue une donnée précieuse pour mieux comprendre l’histoire et l’évolution de l’univers.

« SVOM a le potentiel de percer de nombreux mystères dans le domaine des sursauts gamma, notamment en révélant les GRB les plus éloignés de l’univers, qui correspondent aux plus anciens GRB », a déclaré Gottlieb.

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Les explosions les plus lointaines identifiées à ce jour se sont produites seulement 630 millions d’années après le Big Bang, soit cinq pour cent de l’âge actuel de l’univers.

« Nous nous intéressons aux sursauts gamma en tant que tels, car ce sont des explosions cosmiques très intenses qui nous permettent de mieux comprendre la mort de certaines étoiles », a déclaré Frederick Denny, astrophysicien à l’Institut d’astrophysique. Paris.

« Toutes ces données permettent de tester les lois de la physique avec des phénomènes impossibles à reproduire en laboratoire sur Terre. »

Une fois analysées, les données peuvent aider à mieux comprendre la composition de l’espace, la dynamique des nuages ​​de gaz ou d’autres galaxies.

Le projet est issu d’un partenariat entre les agences spatiales française et chinoise ainsi que d’autres groupes scientifiques et techniques des deux pays.

Une coopération spatiale à ce niveau entre l’Occident et la Chine est assez rare, d’autant plus que les États-Unis ont interdit toute coopération entre la NASA et Pékin en 2011.

– Course contre le temps –

Jonathan McDowell, astronome au Centre d’astrophysique Harvard-Smithsonian aux États-Unis, a déclaré : « Les préoccupations américaines concernant le transfert de technologie ont empêché les alliés américains de coopérer dans une large mesure avec les Chinois, mais cela arrive parfois. »

En 2018, la Chine et la France ont lancé conjointement CFOSAT, un satellite océanographique principalement utilisé pour la météorologie maritime.

Plusieurs pays européens ont participé au programme chinois d’exploration lunaire Chang’e.

Bien que SVOM ne soit « en aucun cas unique », a déclaré McDowell, il reste « important » dans le contexte de la coopération spatiale entre la Chine et l’Occident.

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Une fois qu’il aura atteint une orbite à 625 kilomètres (388 miles) au-dessus de la Terre, le satellite enverra ses données aux observatoires.

Le principal défi est que les sursauts gamma sont très courts, ce qui oblige les scientifiques à courir contre la montre pour collecter des informations.

Dès qu’une explosion est détectée, SVOM envoie une alerte à l’équipe en service 24 heures sur 24.

D’ici cinq minutes, ils devront faire fonctionner un réseau de télescopes au sol qui s’aligneront précisément sur l’axe de la source d’explosion pour faire des observations plus détaillées.

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Il y a toujours eu quelque chose qui cloche à propos de la nébuleuse du Crabe. Webb a révélé pourquoi !

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La nébuleuse du Crabe m’a toujours fasciné, même si elle me fascine car elle ne ressemble pas du tout à un crabe ! Ils sont le résultat d’une étoile qui a explosé à la fin de sa vie en 1054 après JC, laissant derrière elle ce que l’on appelle un reste de supernova. A cette époque, l’explosion était visible à l’œil nu, même de jour. On pensait que la supernova à l’origine du nuage provenait d’une étoile moins évoluée dotée d’un noyau composé d’oxygène, de néon et de magnésium. Des études récentes du télescope spatial James Webb révèlent qu’il pourrait s’agir en fait de l’effondrement du noyau d’une étoile riche en fer.

La nébuleuse du Crabe se trouve dans la constellation du Taureau avec un diamètre de 11 années-lumière. Au plus profond du nuage, qui s’étend à une vitesse de 1 500 kilomètres par seconde, se trouve une étoile à neutrons en rotation rapide connue sous le nom de pulsar. Il émet un faisceau de rayonnement électromagnétique qui traverse l’espace comme un phare balayant l’océan. Elle a fait l’objet de nombreuses études pour connaître la dynamique de l’évolution stellaire.

Des études antérieures ont tenté de comprendre l’énergie cinétique totale de l’explosion initiale en fonction de la vitesse du nuage en expansion. Les données suggèrent que la supernova avait une énergie relativement faible, de sorte que l’étoile progénitrice avait probablement une masse de 8 à 10 fois supérieure à celle du Soleil. Si elle avait été plus massive, elle aurait connu une supernova plus violente qui aurait été détectée par la vitesse plus élevée du nuage de gaz en expansion. Mais il y avait un problème.

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Le télescope de 48 pouces de l’observatoire Fred Lawrence Whipple a capturé cette image en lumière visible de la galaxie Pinwheel (Messier 101) en juin 2023. L’emplacement de la supernova 2023ixf est encerclé. L’observatoire, situé sur le mont Hopkins en Arizona, est exploité par le Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Hiramatsu et coll. 2023/Sébastien Gomez (STScI)

Les observations de la nébuleuse du Crabe, en particulier la vitesse de rotation élevée du pulsar, semblent contredire la théorie actuelle de la supernova. Dans un modèle d’étoiles de faible masse comme l’étoile progénitrice de la nébuleuse du Crabe, l’oxygène présent dans le noyau s’enflamme lorsque le noyau s’effondre. Ce processus n’a pas assez d’énergie pour générer un pulsar à rotation aussi rapide.

Une équipe d’astronomes a répondu à cette curiosité en utilisant MIRI (Mid-Infrared Instrument) et NIRCam (Near Infrared Camera) à bord du télescope spatial James Webb pour collecter des données sur la nébuleuse du Crabe. L’équipe était dirigée par Tai Tamim de l’Université de Princeton dans le New Jersey. Ils ont déclaré que la composition gazeuse du nuage indique que l’étoile pourrait être plus évoluée avec du fer dans le noyau, ce qui pourrait conduire à une supernova d’énergie plus élevée qu’on ne le pensait auparavant.

Concept artistique du télescope spatial James Webb

Grâce aux instruments sensibles à l’infrarouge de Webb, les raies d’émission du fer et du nickel peuvent être vues plus clairement que jamais. L’étude des raies brillantes dans le spectre de la nébuleuse a permis d’obtenir une estimation plus fiable du rapport fer/nickel. Ils ont découvert qu’il s’agissait d’un pourcentage plus élevé par rapport au Soleil que celui auquel on pourrait s’attendre pour une supernova plus active.

Les résultats sont prometteurs mais les lectures proviennent de deux petites régions de la nébuleuse, donc pour exclure les variations sur l’ensemble des 11 années-lumière, davantage de lectures sont nécessaires. Si les données de Webb représentent la nébuleuse entière, l’un des mystères de la nébuleuse pourrait enfin être résolu.

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source : Enquête sur les origines de la nébuleuse du Crabe avec Webb de la NASA

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Des chercheurs observent pour la première fois un catalyseur lors d’une réaction électrochimique

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Des chercheurs observent pour la première fois un catalyseur lors d’une réaction électrochimique

Les réactions électrochimiques sont essentielles à la fabrication de divers produits dans les industries.

La fabrication de l’aluminium, des tuyaux en PVC, du savon et du papier dépend de ces réactions électrochimiques, qui font également partie intégrante du fonctionnement des batteries des appareils électroniques, des voitures, des stimulateurs cardiaques et bien plus encore. De plus, elle a le potentiel de révolutionner la production d’énergie durable et l’utilisation des ressources.

Le cuivre et les catalyseurs similaires jouent un rôle crucial dans la catalyse de ces réactions et sont largement utilisés dans les applications électrochimiques industrielles. Cependant, le manque de compréhension du comportement des catalyseurs au cours des réactions a entravé le développement de catalyseurs améliorés. Jusqu’à présent, les chercheurs n’étaient capables d’imager les stimuli qu’avant et après les réactions, ce qui laisse un vide dans la compréhension des processus qui se produisent entre les deux.

Une collaboration entre le California Institute for Nanosystems de l’Université de Californie et le Lawrence Berkeley National Laboratory a supprimé cette limitation. L’équipe a utilisé une cellule électrochimique spécialement conçue pour surveiller la structure atomique du catalyseur en cuivre pendant la réaction conduisant à la décomposition du dioxyde de carbone.

Cette méthode offre un moyen potentiel de convertir les gaz à effet de serre en carburant ou en d’autres matériaux précieux. Les chercheurs ont enregistré des cas dans lesquels le cuivre formait des amas liquides puis disparaissait à la surface du catalyseur, entraînant des piqûres visibles.

« Pour quelque chose qui est si omniprésent dans nos vies, nous comprenons très peu de choses sur le fonctionnement des stimuli en temps réel. » a déclaré le co-auteur Bri Narang, professeur de sciences physiques à l’UCLA et membre du CNSI. « Nous avons désormais la capacité d’observer ce qui se passe au niveau atomique et de le comprendre d’un point de vue théorique.

« Tout le monde bénéficierait de la conversion directe du dioxyde de carbone en carburant, mais comment pouvons-nous le faire à moindre coût, de manière fiable et à grande échelle ? » a ajouté Narang, qui occupe également un poste en génie électrique et informatique à la School of Engineering de l’UCLA. « C’est le genre de science fondamentale qui devrait faire avancer ces défis. »

Sur la gauche, une flèche rouge suit le mouvement d’un atome de cuivre individuel pendant la réaction électrochimique. À droite, les flèches jaunes indiquent les piqûres restant dans la surface du catalyseur. Source de l’image : Qiubo Zhang/Laboratoire national Lawrence Berkeley

Les découvertes dans le domaine de la recherche sur le développement durable ont des implications significatives, et la technologie qui permet ces découvertes a le potentiel d’améliorer l’efficacité des processus électrochimiques dans diverses applications qui ont un impact sur la vie quotidienne.

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Selon Yu Huang, co-auteur de l’étude et professeur Traugott et Dorothea Frederking et directeur du Département de science et d’ingénierie des matériaux à l’UC Samueli, l’étude pourrait aider les scientifiques et les ingénieurs à passer d’essais et d’erreurs à une approche de conception plus systématique. .

« Toute information que nous pouvons obtenir sur ce qui se passe réellement lors de la stimulation électrique est d’une aide précieuse pour notre compréhension de base et notre recherche de conceptions pratiques. » a déclaré Huang, membre du CNSI. « Sans cette information, c’est comme si nous lancions des fléchettes les yeux bandés et espérions atteindre quelque part près de la cible. »

Un microscope électronique de haute puissance de la fonderie moléculaire du Berkeley Lab a été utilisé pour capturer les images. Ce microscope utilise un faisceau d’électrons pour examiner des spécimens avec un niveau de détail inférieur à la longueur d’onde de la lumière.

Des défis sont rencontrés en microscopie électronique lorsqu’on tente de révéler la structure atomique des matériaux dans des environnements liquides, comme le bain d’électrolyte salin nécessaire à une réaction électrochimique.

L’ajout d’électricité à l’échantillon augmente la complexité du processus. L’auteur correspondant Haiime Cheng, scientifique principal au Berkeley Lab et professeur adjoint à l’UC Berkeley, et ses collègues ont développé un dispositif hermétiquement fermé pour surmonter ces obstacles.

Les scientifiques ont effectué des tests pour s’assurer que le flux d’électricité dans le système n’affectait pas l’image résultante. En se concentrant sur l’endroit exact où le catalyseur en cuivre rencontre l’électrolyte liquide, l’équipe a enregistré les changements qui se sont produits sur une période d’environ quatre secondes.

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Au cours de la réaction, la structure du cuivre s’est transformée d’un réseau cristallin régulier, généralement présent dans les métaux, en une masse irrégulière. Ce faisceau désordonné, composé d’atomes de cuivre et d’ions chargés positivement ainsi que de quelques molécules d’eau, s’est ensuite déplacé à la surface du catalyseur. Ce faisant, les atomes ont été échangés entre du cuivre régulier et irrégulier, piquant la surface du catalyseur. Finalement, la masse irrégulière a disparu.

« Nous ne nous attendions pas à ce que la surface se transforme en une forme amorphe puis revienne à une structure cristalline. » a déclaré le co-auteur Yang Liu, étudiant diplômé de l’UCLA dans le groupe de recherche de Huang. « Sans cet outil spécial pour observer le système en action, nous ne serions jamais en mesure de capturer ce moment. Les progrès des outils de caractérisation comme ceux-ci permettent de nouvelles découvertes fondamentales, nous aidant à comprendre le fonctionnement des matériaux dans des conditions réelles. »

Référence du magazine :

  1. Qiubo Zhang, Zhigang Song, Qianhu Sun, Yang Liu, Jiawei Wan, Sophia B. Betzler, Qi Cheng, Junyi Shangguan, Karen C. Bustillo, Peter Ercius, Bryneha Narang, Yue Huang et Haimei Cheng. Dynamique atomique des interfaces solide-liquide électrifiées dans les cellules liquides TEM. Nature, 2024 ; Identification numérique : 10.1038/s41586-024-07479-s

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