Journal de Saclay n°31 - CEA Saclay

1 e TRIMESTRE 2006 > N°31Centre CEA de SaclayLE JOURNALDOSSIER40 ans d’astrophysique spatiale au CEAM2M : contrôle industriel haut de gamme p.11Feu vert pour SPIRAL2 à Caen p.12Un réacteur prototype de 4 ème génération pour 2020 p.14

ÉditorialÉditeurCEA (Commissariatà l’énergie atomique)Centre de Saclay91191 Gif-sur-Yvette CedexDirecteurYves CaristanDirectrice de la publicationDanièle ImbaultRédacteur en chefChristophe PerrinRédactrice en chef adjointeSophie AstorgAvec la participation deDominique MazièreIconographieChantal FuseauConception graphiqueMazarine2, square Villaret de Joyeuse75017 ParisTél. : 01 58 05 49 25Crédits photosCEA/DapniaNASACFHTCNESESAESA/A Le Floc’hObservatoire européen australCNRSCICLOPS Institute, USAESA/ D HardyESA/ A. AbergelCEA/SApCEA/ L GodartCEA/ L KochCEA/ C FuseauCEA/S AstorgR Lefevre et al LEM-CEAE Dujardin et al LEM-CEATelescope Canada-France-Hawaï/ JC Cuillandre/ CoelumEDFESA & the ISOGAL teamCEA GanilN° ISSN 1276-2776 - Centre CEA de SaclayDroits de reproduction, texte et illustrationsréservés pour tous paysPhotos de couverture : En haut à gauche, simulation numérique du Soleil ;en bas à gauche, le télescope SIGMA ; à droite, image de Megacam.Sommaire n° 31Éditorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . page 2Dossier : 40 ans d’astrophysiquespatiale au CEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . page 3M2M : contrôle industrielhaut de gamme . . . . . . . . . . . . . . . . . page 11Feu vert pour SPIRAL2 à Caen . . . . . . page 12Nanotube de carbone interrupteur. . . page 13Un réacteur de 4 ème génération . . . . . . page 14Brèves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . page 15Instruments actuellement en service, conçuset réalisés avec la participation du SAp :ill.1 Soho et Ulysse, en orbite autour du Soleil. Cassini-Huygens en orbite autour de Saturne. ill.2 XMM-Newtonet Integral en orbite autour de la Terre. ill.3 L’équipedu SAp à Saclay, le Very Large Telescope à Paranal (Chili)et le CFHT (Canada France Hawaï Telescope) à Hawaï.Le 21 mai 1965, uninstrument du CEAenregistrait pour lapremière fois un rayon Xcosmique, à bord d’unballon situé à près dequarante kilomètresd’altitude. Cet événementsigne le début de l’astrophysiquespatiale au CEA.Depuis l’origine, l’activité du Serviced’astrophysique (SAp) à Saclay se fondesur un partenariat fort entre le CEA et leCNES 1 , qui financent à parité cesprogrammes. Ce service compte égalementune unité mixte de recherche CEA –CNRS – Université Paris VII.Les missions du SAp couvrent à la fois ledéveloppement d’instruments au sol ouembarqués dans des satellites et l’interprétationd’observations de provenancesvariées. Pour résumer à grands traitsl’histoire du SAp, on distingue plusieurspériodes marquées successivement parla détection de particules cosmiques,l’astronomie X et gamma, l’astronomieinfrarouge et la sismologie solaire et stellaire(Soho). Le recoupement d’observationsà différentes énergies fournit unebase solide pour l’interprétation. Avecl’avènement d’ordinateurs massivementparallèles, la simulation numériquerenforce la compréhension des processusphysiques en jeu. Ce dossier du3Journal de Saclay ne pourra retenir decette histoire foisonnante que quelquesévénements ou découvertes parmi beaucoupd’autres. Il est organisé pour l’essentielpar domaines d’énergie.Spécialiste de détecteurs, le SAp estl’artisan de nombreuses premièresmondiales en instrumentation dédiée àl’astrophysique spatiale, souvent encollaboration avec le Léti 2 : premièrematrice de détecteurs infrarouges (ISO) 3 ,première matrice de détecteurs gammaau tellurure de cadmium (Integral) etdemain, première matrice de bolomètres 4pour l’infrarouge lointain (Herschel). Cettecompétence est reconnue au point quele SAp a été sollicité par un laboratoireaméricain pour fournir un instrumentinfrarouge pour la sonde Cassini-Huygens. Au fil du temps, ce services’est imposé sur la scène internationalecomme un laboratoire d’astrophysique depremier plan, tant pour l’instrumentationque pour l’interprétation. Il est devenu uneforce de proposition et un acteurincontournable pour de nombreux projetsscientifiques, qui se sont concrétisés en devéritables expériences dédiées à desproblématiques scientifiques spécifiques.Je profite de ce premier éditorial de l’annéepour vous présenter mes meilleurs vœuxet je suis heureux que 2006 s’annonceaussi riche pour notre centre CEA que2005. Cette année verra en effet notammentles démarrages du synchrotronSOLEIL, de NeuroSpin et du pôle decompétitivité mondial SYSTEM@TICPARIS-RÉGION, qui apporteront denouveaux atouts pour renforcer sa visibilitéinternationale en tant que site derecherche d’excellence.Yves Caristan,Directeur du centre CEA de Saclay.1 CNES : Centre national d’études spatiales.2 Léti : Laboratoire d’électronique et de technologiede l’information, au centre CEA de Grenoble.3 Les mots imprimés en vert et en gras sont expliquéspage 10.1 24 Bolomètre : thermomètre utilisé pour mesurerde faibles quantités de chaleur produites par unrayonnement.

A la fin des années 1950, un service de Saclay expert endétecteurs de rayonnements est chargé de mesurer laradioactivité de la haute atmosphère induite par les essaisnucléaires aériens. Il faut adapter les appareils pour qu’ilsfonctionnent à bord de fusées. En 1962, la découverte desrayons X cosmiques aiguise la curiosité des scientifiques.Ces circonstances favorisent l’émergence au CEA del’astrophysique spatiale des hautes énergies. Une disciplinequi impose des mesures hors de l’atmosphère : à bord deballons stratosphériques, de fusées puis de satellites carle rayonnement est arrêté par l’atmosphère.« Spatialiser » les technologiesLa spatialisation de détecteurs, dérivés à l’origine de laphysique nucléaire ou de la scintigraphie médicale, est undes métiers du SAp, dont le mot d’ordre est « zéro panne »,dans un environnement hostile et contraint en masse, envolume et en consommation électrique. Typiquement, unemission spatiale compte de nombreuses étapes planifiéessur une vingtaine d’années : le montage du projet avec lespartenaires, la conception et la réalisation d’instruments,les tests dans des conditions se rapprochant progressivementdes conditions spatiales, l’étalonnage, le lancementet l’exploitation scientifique des résultats. Depuis qu’ilsexistent, ces projets sont conduits dans le cadre de collaborations1 européennes, franco-russes (SIGMA) ou américano-européennes(HEAO C, Cassini-Huygens, Soho). Lesobservatoires spatiaux sont ouverts à la communautéscientifique : les temps d’observation lui sont allouésaprès évaluation par un comité de spécialistes.L’ASTROPHYSIQUE AU SAPLes compétences présentes à Saclay en matière de détecteurs de rayonnements ont trouvé un richechamp d’applications en astrophysique.2Donner du sens aux observationsEn parallèle aux activités instrumentales se constitue trèstôt un groupe de théoriciens, parmi lesquels CatherineCésarsky (actuelle directrice de l’ESO 2 ) et Hubert Reeves.L’un d’entre eux, Charles Ryter, résume l’activité d’interprétation: « collecter les observations de toutes origines etchercher à leur donner du sens, de la cohérence ». Ce travailréalisé à partir de mesures effectuées dans tous les domainesd’énergie (depuis les ondes radio jusqu’aux rayonsgamma) s’est poursuivi sans interruption jusqu’à aujourd’hui.1 Ces collaborations sont dirigées par l’Agence spatiale européenne(ESA), Inter-Kosmos en Russie et la NASA (National Aeronautics andSpace Agency) aux Etats-Unis.2 ESO : European Southern Observatory.Le saviez-vous ?Les expériences durent quelques minutes à bord d’unefusée à 150 km d’altitude, une dizaine d’heures en ballonstratosphérique à 36 km ou quelques mois (jusqu’à 15 ans !)à bord de satellites.40 ans d’astrophysiquespatiale au CEA1 Vols ballon : un ballon auxiliaire sert à décoller la charge utiledu sol avant de l’amarrer au ballon principal, qui est gonflé à part.Ces vols ont lieu en fin de nuit.2 Image de supernova obtenue par la caméra Megacam au CFHT.1Carte d’identitéNom : Service d’astrophysique (SAp)Effectif total : 150 personnes dont 93 permanents CEA,8 universitaires et 7 CNRSNombre de projets instrumentaux en cours :12 spatiaux et 3 au sol3

40 ans d’astrophysique spatiale au CEAANALYSER LA MATIÈRE COSMIQUEAnalyser la matière venue du cosmos, c’est la première tâche à laquelle se sont attelés lesastrophysiciens du SAp.1A la différence des rayons X et gamma, les « rayonscosmiques » sont constitués de particules de matière etnon pas de grains de « lumière ». Ces particules, essentiellementdes protons, sont accélérées à des énergiesdéfiant l’imagination. L’Univers contient de gigantesquesaccélérateurs de particules, près de cent mille fois pluspuissants que ne le sera l’accélérateur le plus performantde la planète, actuellement en construction au CERN 1 .Cette matière, composée également d’électrons et d’autreséléments en quantités infimes, est la seule qui nousparvienne d’au-delà du système solaire. Pour comprendreoù et comment cesparticules se forment, ilfaut mesurer leur énergieet leur composition.Ces mesures sont délicatescar les particulescosmiques sont rares.Par ailleurs, les appareilsdoivent être adaptés àun usage spatial. Parexemple, les détecteursTcherenkov 2 de HEAO Csont astucieusementallégés en remplaçantdes gaz sous hautepression par des blocsd’aérogel de silice, aussi peu denses que le brouillard.2l’explosion, se propagent dans le milieu interstellaire.Alors qu’on sait depuis longtemps que les éléments lourdssont issus du « chaudron » des étoiles, l’origine deséléments légers est longtemps restée une énigme, qui a étéfinalement résolue par Hubert Reeves dans les années 1970.Il a mis en évidence le mécanisme de formation de certainséléments chimiques : les collisions entre les particulescosmiques et les atomes des milieux traversés engendrentdes éléments légers comme le lithium, le béryllium et le bore.1 CERN : Organisation européenne pour la recherche nucléaire, près deGenève.2 Détecteur Tcherenkov : en traversant le liquide ou le gaz à une vitessesupérieure à celle de la lumière dans ce milieu, les particules cosmiquesinduisent une émission de lumière bleutée par les atomes du milieu.C’est cette lumière qui est détectée.3 Supernova : étoile massive qui explose au terme de sa «vie » d’étoileen devenant momentanément très lumineuse.Quelle composition ?On s’attendait à retrouver dans les rayons cosmiques lacomposition des supernovae 3 , soupçonnées d’être lessources de ces particules. Or la mesure a révélé unecomposition plus proche de celle du milieu interstellaire quede celle des supernovae. Pourquoi ? Celles-ci apportentbien l’énergie nécessaire pour accélérer les particules,mais par l’intermédiaire des ondes de choc, qui, suite à12À bord du satellite HEAO C lancé en 1979, une expérience de350 kg seulement mesure la composition des particulescosmiques qui sillonnent la Galaxie, un résultat inégaléjusqu’à aujourd’hui.Ulysse est la première sonde à quitter le plan des planètespour aller explorer les pôles du Soleil. A son bord, un instrumentmesure pour la première fois les paramètres du ventsolaire et des particules cosmiques.4Expériences « tout terrain »« Le ballon était lancé en fin de nuit. Il fallait attendre le moment le plus favorable où les vents d’altitude se renversent. Le matérieldevait être récupéré pour que les plaques photo puissent être analysées. Il est arrivé que cette quête se transforme en véritableexpédition dans les Alpes, à dos de mulets, dans la neige. Une fois, le matériel est tombé sur le toit d’une porcherie. Il n’y a jamaiseu de blessé, pas même un cochon… »Lydie Koch-Miramond, astrophysicienne au SAp

1IMAGES DES HAUTES ÉNERGIESA partir des développements de détecteurs X et gamma, le SAp s’est forgé une spécialité à la foisinstrumentale et scientifique en astrophysique des hautes énergies.Au cours de leur propagation dans le milieu interstellaire,les rayons cosmiques interagissent avec la matière et lerayonnement et produisent une émission de rayonsgamma. Le signal correspondant a pu être mis enévidence par COS B à haute énergie puis par le satelliteaméricain GRO (Gamma Ray Observatory) à basse énergie.Ce signal apparaît commeun fond diffus galactique.Au cours de leur accélérationinitiale, les particulescosmiques émettent égalementdes rayonnementsassez intenses pour êtremesurés : des rayons X ontété observés par XMM-Newton dans un reste desupernova (voir photo 1), des rayons gamma de très hauteénergie ont été détectés par le télescope Hess (situé enNamibie).D’autres signaux X et gamma, sans lien avec les rayonscosmiques, ont pu être attribués à des sources localisées,dont la nature n’a pas pu être identifiée immédiatement.« Voir » des rayons invisiblesPour détecter les rayons gamma, les premiers instruments(TD1, COS B) utilisent des chambres à étincelles, sensiblesà la fois aux particules et aux photons gamma.Il faut donc éliminer la contribution prédominante desparticules cosmiques (une surface d’un centimètre carréen voit passer une par seconde). Heureusement, celles-cidéposent des traces spécifiques. Pour COS B, les enregistrementsont été analysés manuellement : seul un surcent en moyenne était exploitable…De nombreux dispositifs (SIGMA) intègrent des matériauxscintillants capables d’absorber complètement l’énergieincidente et de restituer cette énergie en lumière visible ouultraviolette, pour laquelle ils sont transparents. Ces instrumentsmatérialisent les traces fugaces laissées par uneparticule ou des rayons X ou gamma. « Voir ces tracesdans les scintillateurs, voir enfin ce qui, jusque-là, étaitinvisible : c’était une grande émotion ! », raconte BernardAgrinier, ancien chercheur au SAp.Un bijou technologiqueAvec Integral est apparue une nouvelle génération dedétecteurs à semi-conducteur (CdTe : tellurure decadmium), qui n’exigeait plus de refroidissement poussécomme auparavant le germanium, et présentait une excellenterésolution en énergie. Pour Integral, le SAp a développéla technologie CdTe en collaboration avec d’autresservices du Dapnia 1 et a conçu une électronique de détectionadaptée. La miniaturisation de l’ensemble a été menéeen collaboration avec le Léti et la Direction des applicationsmilitaires. Le résultat de ce travail est la caméragamma ISGRI : un véritable bijou technologique de plusde 16 000 pixels !40 ans d’astrophysiquespatiale au CEAFormer des imagesDétecter ne suffit pas, il faut également concentrer lalumière pour former une image. C’est réalisable en rayons X2Le saviez-vous ?Compter les photonsL’observation en X ou gamma est très différente de l’observationen visible : les photons sont rares et sont détectés un par un.L’avantage de cette situation est que le signal détecté mesuredirectement l’énergie.5

40 ans d’astrophysique spatiale au CEA34avec des miroirs fonctionnant en incidence rasante 2(XMM-Newton) mais totalement impossible en rayonsgamma. Un progrès décisif se produit avec l’obtentiond’image par « masque codé », une technique validée surSIGMA et reprise pour Integral. Ce procédé consiste àobserver l’ombre portée d’un masque, percé de trous etéclairé par la source à étudier, et, à partir de là, à calculerl’image de cette source, grâce à un décodage numérique.Du fond diffus aux sourcesSi le fond diffus observé par COS B a pu être bien expliquépar l’interaction du rayonnement cosmique avec lamatière interstellaire, il n’en est pas de même pour le fonddiffus observé à plus basse énergie par le satellite américainGRO, qui s’est avéré bien plus intense que prévu. Unpremier voile a été levé sur ce mystère grâce au satelliteSIGMA, dont la bonne « acuité » a permis de montrer que dessources ponctuelles contribuaient à l’émission galactique.SIGMA a également permis de découvrir une nouvelleclasse de sources, baptiséesmicroquasars 3 . Cesobjets, dont le moteur estun trou noir de quelquesmasses solaires, émetdes jets de matièreobservables à uneéchelle de tempshumaine, contrairementaux quasars dont ils sontpar certains aspects desmodèles réduits. Pouravoir le fin mot sur l’originedu fond diffus àbasse énergie, il a falluattendre le satellite Integral, qui, grâce à une acuité et unesensibilité encore accrues, a permis de montrer que ce quiavait été pris pour du fond diffus était en fait un ensemblede sources ponctuelles. Plus de deux cents sources émettricesde rayons gamma ont été recensées dans notreGalaxie ; la plupart sont des « duos », composés d’unastre compact et d’une étoile qu’il phagocyte.Encore des énigmes…Le centre de notre Galaxie abrite, on le sait, un trou noirsuper-massif. SIGMA a livré une surprise, confirmée parIntegral : contrairement à ce que les astrophysiciens imaginaient,cet astre n’émet presque rien en X ou gamma, cequi signifie qu’il n’avale plus grand-chose ou bien qu’il s’alimentesuivant un processus encore inconnu.Integral a également mis en évidence la présence d’unegigantesque zone de création de paires d’électrons et depositons, autour du centre de notre Galaxie. Aucune explicationastrophysique convaincante n’a pu être trouvée àce jour et d’autres interprétations plus spéculativescomme la désintégration de « matière noire » ont étéévoquées (voir p.9). Encore une énigme dont raffolent lesthéoriciens…1 Dapnia : laboratoire de recherches sur les lois fondamentales del’Univers, à Saclay.2 La direction des rayons incidents est très proche de la surface du miroir.3 Les quasars sont des cœurs de galaxies formés d’un trou noir d’unemasse équivalente à plusieurs millions (voire milliards) de Soleils. En attirantla matière de la galaxie qui l’entoure, cet astre compact produit undisque d’accrétion et des jets relativistes de matière se forment dans ladirection perpendiculaire au disque.1 Image d’XMM-Newton : en blanc les zones où les ondes dechoc d’une supernova accélèrent des atomes du milieu interstellaire.Le « reste » de supernova (orange) est une bulle degaz chaud en expansion.2 Un des trois modules de miroirs d’XMM-Newton, vu de l’arrière.Chacun des éléments concentriques intercepte un mince« anneau » de rayonnement.3 Certains objets observés en rayons gamma sont des étoilesdenses en rotation rapide, avalant la matière de leur étoilecompagnon. Vue d’artiste.4 Test du satellite Integral dans les laboratoires de l’Agencespatiale européenne aux Pays-bas. A l’extrémité du télescope,on distingue le masque codé (damier noir et blanc), quipermet d’obtenir des images à partir de rayons gamma.6

LA RÉVOLUTION DE L’INFRAROUGEComplémentaire de l’astrophysique des hautes énergies, l’astrophysique infrarouge s’est imposée peuà peu comme un outil irremplaçable.Les poussières des milieux interstellaires absorbent plusou moins les rayonnements qui les traversent : beaucoupen visible, un peu moins en rayons X et encore moins enrayons gamma. Ainsi, certaines sources gamma « vues »par Integral n’avaient pas été détectées en X. Les poussièresarrêtent en effet les rayons X et restituent une partie del’énergie emmagasinée en émettant des photons infrarouges.De la même manière, les nuages de poussières oùnaissent les étoiles absorbent l’éclat des jeunes astres :l’observation infrarouge s’est donc imposée comme unoutil indispensable pour étudier la formation des étoiles.40 ans d’astrophysiquespatiale au CEA1ISOCAM, une caméra « made in CEA »En matière de détecteurs, un pas important est franchiavec le satellite européen ISO lancé en 1995. Il est équipéde la première caméra spatiale infrarouge (ISOCAM), réaliséeen collaboration européenne sous la direction scientifiqueet la maîtrise d’œuvre technique du SAp. Cette camérautilise des matrices de détecteurs de 1 024 pixels. Baséesur des composants en silicium dopé au gallium, cettetechnologie a été mise au point au Laboratoire infrarouge(LIR) du Léti, au centre CEA de Grenoble, à l’origine pourdes besoins de Défense. Herschel, qui sera lancé en 2007,utilise une autre technologie du Léti, dédiée àl’infrarouge plus lointain.1 Montage de la mosaïque de détecteurs du satellite Herschel,qui sera lancé en 2007 pour recenser les régions de formationd’étoiles.2 ISO révèle une région de formation d’étoiles dans la nébuleusede l’Aigle.2Comment naissent les étoilesAu terme d’un dépouillement qui aura duré plus de troisans, les observations d’ISO sont comparées à celles dutélescope spatial Hubble : ISO « voit » dix fois plus d’étoilesque Hubble ! Ce sont en particulier les « pouponnières »d’étoiles, entourées d’une enveloppe opaque de poussières,qui ont échappé à Hubble. Leur étude conduit à unerévision complète à leur sujet : le plus souvent, elles ne seforment pas spontanément mais dans des flambées« violentes », suite à des événements à grande échelle telsqu’une collision de la galaxie hôte avec une autre galaxie.ISO ne permettait pas d’observer avant les derniers huitmilliards d’années de l’histoire de l’Univers 1 . Les matrices deplusieurs milliers de détecteurs d’Herschel permettront decartographier en trois ans les flambées de formation d’étoilesqui se sont produites depuis le milliard d’années qui asuivi le Big Bang.1 Plus on observe loin, plus on observe des objets de l’Univers jeune.Age de l’Univers : 13,5 milliards d’années.Le saviez-vous ?Le successeur de Hubble « verra » rougeGrand projet international auquel participe le Dapnia, le télescopespatial James Webb, successeur de Hubble, fonctionneradans l’infrarouge vers 2013. Il sondera l’Univers lointain(jeune) : il observera en particulier la première générationd’étoiles, un milliard d’années seulement après le Big Bang.7

La connaissance de la masse et de la compositionchimique d’une étoile permet de déterminer sa structureinterne, mais les phénomènes de turbulence liés à la rotationet au magnétisme de l’astre compliquent considérablementle tableau : c’est le domaine de la magnétohydrodynamique(MHD). L’observation couplée à la simulationMHD du Soleil et des étoiles permet d’appréhender cesphénomènes complexes.1 Simulation des turbulences du milieu interstellaire.2 Fluctuations de températures du Soleil : le rouge correspondaux excès de température (+10°C) par rapport à la températuremoyenne (voisine de 100 000°C à la profondeur choisie pourle calcul).En parallèle, la LIL puis le Laser Mégajoule produiront àBordeaux des plasmas de laboratoire, proches de lamatière des étoiles. Pendant un milliardième de seconde,ces expériences révèleront des propriétés thermodynamiquesou des instabilités qui rendront les simulationsd’étoiles de plus en plus réalistes et convaincantes.1 LIL : Ligne d’intégration laser. Entrée en service en 2005 pour lacommunauté scientifique, cette ligne prototype du laser Mégajoule, auCEA/CESTA à Bordeaux, compte 4 faisceaux (sur 240 en projet).2 Hydrodynamique : branche de la physique relative aux fluides enmouvement.40 ans d’astrophysiquespatiale au CEALE CÔTÉ OBSCUR DE L’UNIVERSCosmologie : l’observation fine de l’effet de lentille gravitationnelle* sur la forme des galaxieslointaines permet d’explorer les composantes invisibles de l’Univers.Les astrophysiciens raisonnent souvent en cherchant àboucler de minutieux bilans de matière ou de rayonnements.Ils ont ainsi recensé toute la matière observable dans leursinstruments. Dans les années 1970, l’étude de la trajectoiredes étoiles dans les galaxies les a amenés à invoquer laprésence d’une «matière noire» distribuéeà grande échelle, qui n’émetaucun rayonnement. Par la suite, desobservations concordantes, au coursdes années 1990, ont permis de mettreen évidence une accélération de l’expansionde l’Univers. Une des interprétationsde cette accélération est qu’ellerésulte de la présence d’une « énergiedu vide » : cette notion s’est révélée 1notoirement problématique (avec undésaccord de 120 ordres de grandeur !) mais elle a donnéson nom au concept d’« énergie noire », concept qui gardeaujourd’hui tout son mystère.ordinaire représente environ 3% de la masse de l’Univers,la matière noire 27% et l’énergie noire 70%. Les astrophysiciensdu SAp, conjointement avec leurs collègues physiciensdes particules, participent à la traque de cette sidiscrète matière noire avec la plus grande caméra dumonde (Megacam), implantée au foyer du télescopeCanada-France-Hawaï (CFHT). Ils cherchent notamment àcartographier systématiquement la distribution de lamatière noire dans l’Univers en utilisantl’effet de lentille gravitationnelle, quiinduit de faibles distorsions sur lesformes apparentes des galaxies lointaines.A l’avenir, la nécessité de corrigerles turbulences atmosphériques limiterale champ d’exploration avec destélescopes au sol. DUNE (Dark UNiverseExplorer), un projet spatial en préparation,permettrait de s’affranchir de cettelimitation, avec à la clé, l’espoir dedébusquer la matière noire et aussi de mieux comprendrela nature de la fameuse énergie noire, susceptible de modifierla distribution des grandes structures dans l’Univers.Recenser les galaxies déforméesÀ présent, les physiciens s’accordent à dire que la matière* Lentille gravitationnelle : des masses importantes peuvent dévier lesrayons lumineux provenant de galaxies lointaines et déformer l’imageapparente qui parvient jusqu’à nous.1 Image de l’amas de galaxies d’Hercule obtenue par la caméraMegacam au CFHT.9

40 ans d’astrophysique spatiale au CEAChronologieLoin d’être exhaustive, la liste ci-dessous ne reflète qu’une partie des missions spatiales auxquellesle SAp a participé, par la fourniture d’un instrument notamment.Nom Période Domainedu satellite d’exploitation d’énergieUn objectif important de la missionTD1 1972 - 1974 Particules, 1 ère chambre à étincelles dans l’espaceX, gammaCOS-B 1975 - 1982 Gamma 1 ère carte de la Galaxie en gammaHEAO C 1979 - 1981 Particules Mesure des abondances des élémentsdans le rayonnement cosmiqueUlysse 1990 - 2008 Electrons, Electrons du rayonnement cosmiqueparticuleset en provenance de JupiterGranat 1990 - 1998 Gamma Carte du centre de notre Galaxie(télescope SIGMA)ISO 1995 - 1998 Infrarouge Formation des étoilesSoho 1995 - 2009 Visible Structure et dynamique interne du SoleilXMM-Newton 1999 - 2010 X Centre galactique, amas de galaxies,Sources compactes, plasmas ionisés chaudsIntegral 2002 - 2010 Gamma Carte gamma de la Galaxie, trous noirs,nucléosynthèseCassini-Huygens 2004 - 2008 Infrarouge Anneaux de SaturneHerschel Prévu en 2007 Infrarouge lointain Formation des galaxies et des étoilesJames Webb Prévu en 2011 Infrarouge proche Observation de l’Univers lointain : formationSpatial Telescope et moyen des galaxies et des étoiles, recherchede la « première étoile ».GLOSSAIREPionnierEn 1972, le SAp lançait pour la premièrefois au monde une chambre à étincelles(voir p.5) dans l’espace, à bord de TD1, lepremier satellite d’astronomie de l’agencespatiale européenne.En 2005, le projet Simbol X, porté par leSAp, vient de recevoir un accueil favorabledu CNES. S’il est accepté définitivement fin2006, ce sera encore une premièremondiale à l’horizon 2010 : le « vol enformation » du miroir et du détecteur, à unedistance de trente mètres l’un de l’autre,autorisera une résolution angulaire et unesensibilité inégalées dans un domained’énergie intermédiaire entre les rayons Xet gamma.Images et spectresUn télescope fournit l’image ou le spectre d’une source (décomposition endifférentes énergies). Un spectre « de raies » constitue une signature caractéristiquede l’élément émetteur. Il se décale vers le rouge (basses énergies)si la source s’éloigne de la Terre. La mesure du décalage permet de calculersa vitesse. Sur le trajet qui nous sépare de la source, le rayonnementpeut être diffusé par des poussières ou absorbé par des gaz à l’intérieur denuages interstellaires. Un spectre d’absorption, constitué de raies en creux,permet d’étudier la nature des éléments traversés par le rayonnement.X et gamma : des photons très énergétiquesLes photons X et gamma, de même nature que la lumière visible, sont beaucoupplus énergétiques : ils peuvent arracher des électrons à des atomes (quideviennent des ions), voire se transformer en paire électron-positon à proximitéd’un noyau lourd, s’ils ont assez d’énergie. On les appelle des rayonnementsionisants. L’émission X provient souvent de processus physiques impliquantle cortège électronique des atomes tandis que l’émission gamma estliée à des phénomènes siégeant dans le noyau atomique.10

ActualitésDU LABORATOIRE À L’ENTREPRISEM2M : CONTRÔLE INDUSTRIEL HAUT DE GAMMECréée en 2003 pour valoriser une technologie développée au CEA à Saclay, la société M2M commercialise dessystèmes innovants de contrôle industriel par ultrasons. Elle bénéficie du soutien de ses actionnaires : desindustriels importants du secteur (Tecnatom, Métalscan et Euraltech) et le fonds de capital risque CEA-Valorisation.Forte d’une douzaine de salariés, la société M2M s’estconstruite autour d’une spécialité du SYSSC 1 : le contrôleindustriel par ultrasons « multiélément », une techniqueopérant dans des configurations difficiles d’accès. Elle estnée au terme d’une collaboration de quatre ans au seind’un GIE 2 , associant un laboratoire du SYSSC et despartenaires industriels. L’actionnaire majoritaire estTecnatom, une grande entreprise du contrôle industriel quiouvre à M2M le marché des gros systèmes. M2M estimplantée près de Châlons-sur-Saône à proximité d’unefiliale de Tecnatom, spécialiste de systèmes de dimensionsplus modestes, et aux Ulis, en Essonne.InterviewOlivier Roy, Directeur techniqueExpert en contrôle nondestructif au CEA, vous avezrejoint M2M à sa création.Comment avez-vous vécu cechangement ?O.R. : C’était une évolution naturelle.Mon travail n’a pas beaucoup changé àmon arrivée chez M2M, la perceptionque j’en ai a en revanche beaucoupévolué. Il faut communiquer cette motivationaux autres personnes, c’est trèstrès intéressant…Echographie industrielleComme l’échographie médicale, la méthode repose surl’analyse de la propagation d’ondes ultrasonores à l’intérieurde la pièce à tester. Ces ondes sont produites et détectéespar des céramiques piézo-électriques, capables deconvertir un signal électrique en signal ultrasonore et viceversa. La technique « multiélément » exploite, non pas unou deux capteurs, mais plusieurs dizaines de capteurs, quisont pilotés par une électronique spécifique et fonctionnenten parallèle. Il devient possible de balayer l’ensemble duvolume de la pièce sans déplacement. La clé de l’avancetechnologique de M2M réside dans le couplage du logicielde simulation CIVA 3 (développé au SYSSC) à l’électroniquede commande. M2M propose à ses clients un système surmesures, ainsi que la formation associée. Mais s’il lesouhaite, le client a la possibilité de reconfigurer le systèmefourni par M2M pour une autre application.1 SYSSC : Service système et simulation pour la surveillance et le contrôle,du CEA-LIST (Laboratoire d’intégration des systèmes et des technologies).2 GIE : groupement d’intérêt économique.3 Le logiciel CIVA simule le contrôle d’une pièce industrielle par ultrasonsnotamment.Adaptée au contrôle de fabrication ou à la maintenance,la technologie intéresse l’aéronautique(ailes en composites,...), l’industrie nucléaire (cuvedu réacteur, tuyauteries,...), le secteur ferroviaireet l’automobile.11

ActualitésFEU VERT POUR SPIRAL2 À CAENEn mai 2005, le projet d’envergure européenne SPIRAL2 a reçu l’approbation du Ministère délégué àla recherche pour être construit auprès du Grand accélérateur national d’ions lourds 1 (GANIL) à Caen.Classé « Grande installation de recherche européenne »depuis 1994, le GANIL accueille une communauté scientifiqueeuropéenne de plusieurs centaines de membres quidépasse le seul domaine de la physique nucléaire.Les chercheurs viennent sur place réaliser une expériencequi utilise les faisceaux d’atomes ionisés 2 du GANIL, accélérésà des vitesses proches de celle de la lumière.Au cours des dernières années, la recherche internationales’est focalisée sur l’étude des noyaux « exotiques ».Produits lors du Big Bang et dans les étoiles, ces élémentsont disparu de la Terre.Les premiers noyaux synthétisés ont révélé des propriétéstotalement inattendues : des cohésions accrues, des déformationsinsoupçonnées, des radioactivités nouvelles, etc.Des milliers de noyaux restent à découvrir ! S’ils parvenaientà les produire, les chercheurs comprendraientmieux les lois qui gouvernent le comportement desnoyaux.Une source de noyaux exotiquesLa future installation SPIRAL2 produira en abondance desnoyaux exotiques lourds, riches en neutrons et protons.Au cœur de la future machine, un accélérateur linéairesupraconducteur, délivrant des faisceaux d’ions parmi lesplus intenses du monde, bombardera une cible dematière. Les réactions induites engendreront des milliardsde noyaux exotiques. Extraits, triés, accélérés, les noyauxles plus intéressants seront assemblés en faisceauxpermettant de nouvelles analyses. Ainsi SPIRAL2 ouvrira denouveaux horizons à la physique et à l’astrophysiquenucléaires. Cette plate-forme expérimentale rassembleraégalement les communautés de physique atomique, dephysique du solide et de radiobiologie autour de la matièresous irradiation.Premiers faisceaux en 2010De plus, SPIRAL2 sera la source de neutrons rapides la plusperformante pour les dix prochaines années. Elle permettrad’effectuer des mesures de données neutroniquesqui contribueront à rendre l’énergienucléaire encore plus sûre et respectueuse del’environnement.Avec cet investissement financé par le CEA, leCNRS, la Région Basse-Normandie, les collectivitésterritoriales et soutenu par l’Union européenneet des collaborations internationales, larecherche française s’inscrit pleinement dansune dimension européenne. Les premiers faisceauxsont attendus pour 2010.1 Ce laboratoire, qui a le statut d’un Groupement d’intérêtéconomique entre le CEA et le CNRS, est une « antenne »du centre CEA de Saclay.12 Un atome ionisé (ou ion) a perdu un ou plusieurs électrons.Les ions du GANIL sont complètement « épluchés» : ils sontréduits à l’état de noyaux, privés d’électrons.1SPIRAL2 complétera l’installation actuelle (photo) pour mieux comprendreles lois qui gouvernent la cohésion des noyaux.12

NANOTUBE DE CARBONE INTERRUPTEURDes chercheurs du DRECAM 1 à Saclay ont établi la loi de déformation d’un nanotube 2 de carbonesoumis à un champ électrique et ont mis à profit cette compréhension pour fabriquer, pour la premièrefois par autoassemblage, un nano-interrupteur.ActualitésLes « MEMs 3 » associent sur une même « puce » diverséléments mécaniques, optiques, électromagnétiques outhermiques et de l’électronique. Capteurs ou actionneurs,ils sont aujourd’hui utilisés dans l’automobile (airbag), lesune électrode. Le dispositif du CEA est la première réalisationde ce genre à bénéficier de techniques de contrôle dupositionnement des nanotubes développées au LEM. Desurcroît, une fois en contact avec l’électrode, le nanotubey reste même sous une tension très réduite. Cettepropriété peut être mise à profit pour réaliser des mémoirespar exemple.1périphériques informatiques (cartouches d’imprimantes àjet d’encre), le médical, le spatial et la défense. Ces technologiesaccompagnent la miniaturisation de la microélectronique.Pour une taille de composant inférieure aumillième de millimètre, on parle de « NEMs » 3 . En dessousd’un certain seuil, il devient nécessaire de changer radicalementde technologie.Une solution éléganteAlors qu’il est très difficile d’usiner des matériaux massifs auxdimensions requises, l’assemblage de nanotubes 3 decarbone constitue une solution élégante.Un nanotube de carbone fixé aux deux extrémités etsuspendu au-dessus d’un support conducteur a étéétudié. Lorsqu’une tension électrique lui est appliquée, ilest soumis à une force électrostatique attractive et sedéforme. Les chercheurs du Laboratoire d’électroniquemoléculaire (LEM) ont établi théoriquement une loid’échelle reliant cette déformation aux paramètres géométriqueset électrostatiques et ont pu vérifier cette loi enmesurant directement la déformation des nanotubes parmicroscopie à force atomique.Forts de cet acquis, les chercheurs du LEM ont fabriquéun nano-interrupteur. Lorsque le nanotube est soumis à unpotentiel électrique, il se déforme et entre en contact avecPartenariatsLes applications d’ores et déjà envisageables vont descapteurs de force ultra-faibles jusqu’aux commutateurs designaux de hautes fréquences pour les télécommunications.Pour aller plus loin, il faudra parvenir à intégrer sur unemême puce le nano-interrupteur et le système électronique.Ce problème se trouve au cœur du nouveau projeteuropéen NANO-RF, coordonné par l’Ecole polytechniquefédérale de Lausanne et qui implique différents laboratoiresdu CEA et du CNRS, ainsi que d’autres partenaireseuropéens.1 DRECAM : Département de recherche sur l’état condensé, les atomes et lesmolécules.2 Les nanotubes de carbone ont typiquement un diamètre de quelques milliardièmesde mètre (nanomètres) et une longueur de quelques millionièmes de mètre.3 MEMs ou NEMs : systèmes micro (ou nano) – électro - mécaniques.21 C’est au laboratoire d’électronique moléculaire que le nanointerrupteurà nanotube de carbone est conçu, réalisé et testé.2 Image en microscopie électronique à balayage d’un nanotube« multiparois » suspendu au-dessus d’un substrat de siliciumdopé.13

ActualitésCONÇU PAR LE CEAUN RÉACTEUR DE 4 ÈME GÉNÉRATION EN 2020Dans son allocution aux forces vives de la Nation, le chef de l’Etat a annoncé le 5 janvier 2006 la réalisationd’un prototype de réacteur de 4 ème génération. La conception en est assurée par le CEA.Dans un contexte de croissance constante de la demandeénergétique et de réchauffement climatique, l’énergienucléaire, non émettrice de gaz à effet de serre et nonsoumise aux contraintes d’approvisionnement du pétroleou du gaz, présente un certain nombre d’avantages. C’estpourquoi, depuis 2001, une dizaine de pays, au traversnotamment du Forum international Génération IV*,mettent en commun leurs efforts pour développer unenouvelle génération de systèmes nucléaires capables derépondre aux besoins énergétiques du futur.Sûreté et compétitivitéCes systèmes nucléaires doivent constituer "la quatrièmegénération" de réacteurs. Dans le cadre du ForumGénération IV, la communauté internationale spécialisée(dont des chercheurs du CEA) travaille au développementde ces nouveaux systèmes nucléaires, caractérisés par unniveau de sûreté accru, une meilleure compétitivité économiqueet une aptitude à recycler le combustible afin devaloriser les matières fissiles (uranium, plutonium) et deminimiser par transmutation la production de déchets à vielongue (actinides mineurs).Trois conceptsEn 2002, le Forum international Génération IV a retenu sixconcepts de systèmes nucléaires. Sur ces six concepts, leCEA en a retenu trois sur lesquels il concentre ses efforts :- VHTR (Very High Temperature Reactor system), un réacteurà très haute température (1000°C-1200°C), refroidi àl’hélium, dédié à la production d’hydrogène ou à la cogénérationd’hydrogène et d’électricité,- GFR (Gas-cooled Fast Reactor system), un réacteur àneutrons rapides et à caloporteur hélium,- SFR (Sodium-cooled Fast Reactor system), un réacteurà neutrons rapides et à caloporteur sodium.La décision du chef de l’Etat de mettre en service pour2020 un réacteur de recherche pour la 4 ème génération deréacteurs nucléaires va ainsi permettre au CEA de testerun de ces concepts. Avec ce calendrier, les premiers réacteursde génération IV devraient voir le jour à l’horizon 2040.Voir aussi : www.cea.fr* Le Forum international Génération IV, lancé en 2001 à l’initiative duDépartement américain de l’énergie, rassemble dix pays : Afrique du Sud,Argentine, Brésil, Canada, Corée du Sud, Etats-Unis, France, Japon,Royaume-Uni, Suisse, ainsi que l’Union européenne.11Étude de la décomposition de l'eau selon le procédéiode/soufre pour produire de l’hydrogène et alimenterdes piles à combustible. Ce procédé utiliserait la chaleurproduite par les réacteurs de 4 ème génération.14

BrèvesLA VÉGÉTATION EUROPÉENNE PERD SON CARBONEEN PÉRIODE DE CANICULEC’est en observant les effets de lacanicule de 2003 sur le cycle ducarbone dans l’environnement quedes chercheurs du LSCE* associés àdes chercheurs européens ontmontré que les conditions de sècheresseet de canicule extrêmes ontcausé une forte perte de CO 2par lesforêts européennes. Il était communémentadmis que la biosphère jouaitun rôle favorable pour la capture dugaz carbonique lorsque les périodesde printemps et d’été étaient chaudeset prolongées puisque l’on pensaitque ces conditions étaient alorspropices à un plus grand développementdes espèces végétales.Or, les chercheurs du LSCE et leurscollaborateurs ont utilisé les flux decarbone mesurés dans le cadre d’unprogramme européen pour montrerque la végétation pouvait devenirémettrice de carbone lors de caniculeset de sècheresses prolongées. Lasynthèse des mesures effectuées àtravers l’Europe, couplée à des simulations,a prouvé que cet effondrementsans précédent de la productivitévégétale provoqué par la sécheressede 2003 a conduit à une émission de500 millions de tonnes de carbonedans l’atmosphère, annulant quatreannées de captation du carbone del’air par la végétation. Reste à savoirsi nos forêts sauront s’adapter auxfutures conditions climatiques ou si, depuits de carbone elles se transformeronten source, à la moindre canicule,venant amplifier le phénomène d’effetde serre dans le futur.* LSCE : Laboratoire des sciences du climat etde l’environnement du centre CEA de Saclay.LE GAZ CARBONIQUE MENACE LES ÉCOSYSTÈMES MARINSLes océans capturent une partimportante du gaz carbonique émispar la nature et par les activitéshumaines. Environ un tiers du CO 2atmosphérique (soit 2 milliards detonnes de carbone) est ainsi engloutichaque année dans ce gigantesqueréservoir. Une équipe du LSCE vientde mettre en évidence un effet àretardement de ce phénomène, quimenace les écosystèmes marins.Le gaz carbonique dissous secombine avec l’eau de mer pourformer un acide. Les chercheursprévoient que l’accumulation de CO 2dans les océans conduira d’ici la fin dusiècle à leur acidification progressive.Celle-ci affectera profondément labiodiversité marine, notamment dansles eaux froides. Parmi les premièresvictimes, on compte les récifs corallienset certaines espèces de plancton.L’acidité de l’eau de mer est en effetdéfavorable à la synthèse chimiquedu carbonate de calcium, un élémentindispensable à la formation dessquelettes de ces espèces. Desrépercussions sur l’ensemble de lachaîne alimentaire sont à prévoir.Même si l’ampleur de la menace n’estpas encore évaluée avec précision,ces premiers résultats scientifiquesconstituent un signal d’alarmesupplémentaire en faveur de la limitationdes émissions de CO 2.Deux conférences Cyclope portant sur cette thématique ont eu lieu les 28 novembre et 5 décembre 2005.15

DEUX CONFÉRENCES POUR EN SAVOIR PLUSASTROPHYSIQUE : 40 ans de découvertesCes deux conférences présentent les grandes étapes, les derniers résultats et les perspectives qui s'ouvrent pourl’exploration spatiale au CEA, ainsi que la nouvelle révolution de la recherche astronomique qui vise aujourd’huià reconstituer les conditions de l’Univers en laboratoire et sur ordinateur.Mardi 21 mars« À la recherche de lalumière invisible »par Jean Marc Bonnet-Bidaud,astrophysicien au CEA SaclayÀ l’issue de l’évolution des espèces, l’homme reste unanimal aveugle à plus de 90%. Nos yeux ne sont adaptésqu’à la lumière solaire qui filtre à travers l’atmosphèreterrestre. Cette lumière que nous appelons« visible » n’est qu’une infime partiede toutes les lumières possibles.Pour accéder aux lumières invisibles à nosyeux, rayons X, rayons gamma, lumièreinfrarouge, les astrophysiciens ont dû nonseulement inventer des instruments totalementnouveaux mais aussi les propulserau-dessus de l’atmosphère à l’aide deballons, de fusées, de satellites.Le premier rayon X d’origine cosmique aété enregistré par les équipes du CEA le 21 mai 1965.Depuis, quarante ans d’aventures spatiales et de découvertesont révélé une multitude de phénomènes inattendus :trous noirs, explosions d’étoiles, collisions de galaxies …Des premiers balbutiements jusqu’aux énormes observatoiresspatiaux exploités aujourd’hui par les astrophysiciensdu CEA, le déchiffrage de la face cachée du cosmosa totalement bouleversé notre vision de l’Univers.Mardi 28 mars« L’Univers enlaboratoire »par Edouard Audit,astrophysicien au CEA SaclayMalgré les avancées prodigieuses de la conquête spatiale,l'astrophysique reste une science observationnelle. Mis àpart le système solaire proche, le reste du cosmos nousest à jamais inaccessible et pourcomprendre et étudier les astres, nousdevons nous contenter de la lumièrequ'ils veulent bien nous envoyer.Pour cette raison et afin d'exploiter aumieux cette lumière captée au prix degrands efforts, la modélisation numériquejoue un rôle central en astrophysique. Lessupercalculateurs modernes permettentainsi de « créer » des soleils, des étoiles,des galaxies et même des univers numériquesafin des les étudier sous toutes leurs facettes et demieux comprendre les astres réels.En plus des supercalculateurs, une nouvelle voie s'ouvrepour l’astrophysique avec l’avènement des grands lasersde puissance. Ceux-ci permettent en effet de recréer enlaboratoire les conditions extrêmes du cosmos. Le rêve del’astrophysicien d’avoir une étoile en laboratoire n’estpeut-être plus si loin...Renseignements pratiques :Accès : ouvert à tous, entrée gratuiteLieu : Institut national des sciences et techniques nucléaires, Saclay (voir plan)Horaire : 20 heuresOrganisation/renseignements :Centre CEA de Saclay,Unité communication et affaires publiquesTél : 01 69 08 52 10Adresse postale : 91191 Gif-sur-Yvette CedexLes Jeudis du CEA23 février : «Le calcul intensif et ses enjeux», avec P. Leca (CEA DAM IdF) et J-F Hammelin (EDF R&D).30 mars : «Le robot et le chirurgien», avec R. Gélin (CEA Fontenay-aux-Roses), G. Morel (Laboratoire derobotique de Paris) et le Dr N. Bonnet (Groupe hospitalier Pitié-Salpêtrière).27 avril : «Les résultats obtenus par le CEA en matière de recherche sur lagestion des déchets nucléaires», avec M. Tallec (CEA Saclay).Renseignements : Lieu : café de la FNAC Vélizy, centre commercial Vélizy 2, Horaire : 19h30, Entrée libre