Paris, 5 mars 2014

VLT : le puissant spectrographe MUSE reçoit sa toute première lumière et ouvre ses yeux sur l'Univers

Un nouvel instrument unique en son genre baptisé MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) a été installé avec succès sur le Très Grand Télescope (VLT) de l'European Southern Observatory (ESO) à Paranal, installé en plein désert d'Atacama au nord du Chili. MUSE constitue l'un des quatre instruments de 2ème génération choisis par l'ESO (1) pour équiper le VLT (2), l'équipement phare de l'astronomie européenne de ce début de troisième millénaire. Ce spectrographe 3D à grand champ de vue va permettre grâce à ses performances exceptionnelles d'explorer l'Univers lointain. Il a été porté notamment par deux laboratoires de recherche français : le Centre de recherche astrophysique de Lyon (CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1/ENS de Lyon), qui en est le pilote, et l'Institut de recherche en astrophysique et planétologie (CNRS/Université Toulouse III-Paul Sabatier). Au cours de sa « première lumière » (phase de tests) très concluante, MUSE a pu déjà observer des galaxies lointaines, des étoiles brillantes et bien d'autres objets célestes.
MUSE constitue un assemblage de composants optiques, mécaniques et électroniques de sept tonnes et une fantastique machine à remonter le temps destinée à sonder l'Univers primitif. Cet instrument unique en son genre est le fruit du travail acharné de nombreuses personnes durant plusieurs années sous la houlette du responsable du projet  Roland Bacon, directeur de recherche au CNRS au Centre de recherche astrophysique de Lyon. MUSE est le résultat de dix années de conception et de développement à l'échelle internationale (3). Il est notamment porté en France par deux laboratoires de recherche : le Centre de recherche astrophysique de Lyon (CNRS/ Université Claude Bernard Lyon 1/ ENS de Lyon) qui en est le pilote et l'Institut de recherche en astrophysique et planétologie (CNRS/Université Toulouse  III-Paul Sabatier). D'autres laboratoires français ont également contribué à la réussite de ce grand projet : l'Institut de planétologie et astrophysique de Grenoble (CNRS/Université Joseph Fourier), le Laboratoire d'astrophysique de Marseille (LAM) (CNRS/AMU), le Laboratoire d'astrophysique de Bordeaux (LAB) (CNRS/Université de Bordeaux), l'Observatoire de Nice-Côte d'Azur, le Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (CNRS/Université de Strasbourg) et le Gipsa-lab (CNRS/Grenoble-INP/Université Joseph Fourier/Université Stendhal).

MUSE va permettre de plonger au coeur des tous premiers instants de l'Univers afin de sonder les mécanismes de formation des galaxies, d'étudier les mouvements de la matière et les propriétés chimiques des galaxies proches. Parmi ses autres objectifs scientifiques figure l'étude des planètes et des satellites du Système Solaire, des propriétés des régions de formation stellaires dans la Voie Lactée ainsi que dans l'Univers lointain.

MUSE constitue un outil de découverte à la fois puissant et unique : il utilise ses 24 spectrographes pour séparer la lumière en ses différentes composantes couleur pour constituer à la fois des images et des spectres de régions spécifiques du ciel. Il crée ainsi des vues 3D de l'Univers (4). Grâce à MUSE, l'astronome peut se déplacer au sein du nuage de données acquises par l'instrument et ainsi étudier différentes vues de l'objet obtenues pour chaque longueur d'onde. MUSE associe le potentiel de découverte d'un dispositif d'imagerie avec les capacités de mesure d'un spectrographe, tout en bénéficiant de l'excellente qualité d'image qu'offre l'optique adaptative.

Après une période d'essai et de validation préliminaires en Europe au mois de septembre 2013, MUSE a été acheminé à l'Observatoire Paranal de l'ESO au Chili. Il a été réassemblé au camp de base puis transporté avec soin sur la plateforme du VLT et finalement installé sur la quatrième Unité Télescopique de l'Observatoire. MUSE sera bientôt suivi par l'instrument SPHERE, dernier né de la seconde génération d'instruments destinés à équiper le VLT.

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LA MÉCANIQUE DES FLUIDES

La dynamique des fluides est un sujet qui s'applique largement : en biologie, en géophysique et en astrophysique, en océanographie et en météorologie, ainsi qu'en génies chimique, nucléaire, aéronautique, hydraulique et en écologie. Dans tous ces contextes, le fluide, qui est soit en phase liquide, soit gazeuse, soit sous forme de plasma (gaz ionisé), est traité comme un milieu continu représenté par les champs de densité, de pression et de vitesse satisfaisant la fameuse équation de Navier-Stokes. Cette équation décrit des phénomènes se produisant sur une très grande gamme d'échelles de longueur, allant de l'échelle ‘sub-micron' des phénomènes biologiques à un extrême, jusqu'à l'échelle ‘super-parsec' des phénomènes cosmologiques et astrophysiques à l'autre. Nous présenterons un point de vue sur ces phénomènes et discuterons en particulier l'effet dynamo, qui correspond à l'auto-excitation du champ géomagnétique due aux mouvements se produisant dans le noyau liquide terrestre, problème classique pour lequel des progrès remarquables ont été réalisés depuis ces cinq dernières décennies. Deux aspects de ce problème peuvent être illustrés par des phénomènes analogues, mais plus simples, provenant de la dynamique des corps rigides. Tout d'abord, l'auto-excitation d'un champ magnétique dans un fluide conducteur est associée à la chiralité de l'écoulement turbulent, propriété que possède le ‘rattleback', toupie asymétrique qui présente un curieux comportement quand on la fait tourner sur une table. Nous montrerons ensuite que l'instabilité dynamo est dissipatrice par nature, car il faut de la dissipation par effet Joule pour permettre l'intensification du champ magnétique, ceci sur l'échelle du temps de dissipation qui est de l'ordre de 10,000 ans dans le contexte terrestre. L'instabilité dissipatrice peut être illustrée par le phénomène familier de ‘l'oeuf montant'. La conférence sera agrémentée par quelques démonstrations simples de ce genre d'instabilités.

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FLUIDES ET TOURBILLONS

"Les récents ouragans sur la France nous ont brutalement rappelé l'importance des fluides tels que l'air et l'eau. Ces fluides obéissent aux lois de la mécanique classique de Newton. Ils sont très instables: dans le sillage d'un obstacle (sur une automobile, un TGV, un avion ou un navire), les différences de vitesse engendrent de magnifiques tourbillons en spirale, qui, tels des vagues sur l'océan, déferlent en turbulence. Cette turbulence est bien décrite à petite échelle par la fameuse "" cascade de Kolmogorov "", où les différences de vitesse entre deux points sont proportionnelles à la puissance un tiers de leur distance. La turbulence est en fait considérée comme un des derniers grands problèmes non résolus de la physique moderne. A l'heure où les biologistes élucident la structure du génome humain, des progrès décisifs sur la structure de la turbulence et des tourbillons qui la composent ont pu être faits par la résolution numérique sur super-calculateur scientifique des équations du mouvement. Un traitement d'image performant permet de visualiser les tourbillons et de suivre leur évolution. Une avancée considérable a en particulier été faite grâce au concept de "" simulation des grandes échelles "", où les fluctuations à petite échelle sont éliminées et modélisées par une viscosité turbulente intelligente. On montre des exemples de ces simulations réalisées à Grenoble (par "" viscosités spectrale ""), avec les anneaux-vortex (responsables des ronds de fumée) dans un jet, et les tourbillons en arche au voisinage d'une paroi et sur une cavité. La simulation numérique est un outil très précieux pour le contrôle de la turbulence en aérodynamique, acoustique, combustion et pollution."

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LA TURBULENCE

Cinq siècles après les travaux de Léonard de Vinci sur le contrôle des tourbillons et de leur effet dans la rivière Arno, le sujet n'est toujours pas clos. Au XXème siècle ce sont d'abord les innombrables applications pratiques (par exemple dans le domaine de l'aéronautique) qui ont été le moteur d'un progrès qui se concrétisait plutôt par le développement de modèles empiriques que par de véritables percées fondamentales. A partir de 1940, grâce en particulier au mathématicien russe Andrei Nikolaevich Kolmogorov, une véritable théorie a été proposée. Elle s'est révélée à la fois féconde en applications (en modélisation pour l'ingénieur) et pas tout à fait correcte : la théorie de Kolmogorov est invariante d'échelle (auto-similaire) alors que dans la réalité cette invariance d'échelle est brisée (un peu comme l'homogénéité de l'Univers est brisée par la présence de galaxies, d'étoiles, de cristaux, d'êtres vivants, etc.). on commence seulement depuis peu à comprendre le mécanisme physique et mathématique de cette brisure. Une véritable théorie de la turbulence pourrait naître dans les prochaines années.

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