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Paris, 27 novembre 2009
Un microquasar émetteur gamma découvert dans notre Galaxie
Pour la première fois, une émission de rayons gamma de haute énergie en provenance d'un microquasar a pu être observée avec certitude grâce au satellite Fermi de la NASA. L'observation du microquasar Cygnus X-3 par les équipes françaises (CEA-IRFU(1), CNRS-INSU(2) et CNRS-IN2P3(3) , Université Paris Diderot - Paris 7, Université Joseph Fourier) de la collaboration Fermi permet de mieux comprendre le fonctionnement de ces sources particulières, capables de propulser dans le milieu interstellaire l'équivalent de la masse de la Lune à une vitesse proche de celle de la lumière. Cette étude fait l'objet d'une publication dans la revue Science Express du 26 novembre 2009.
Les microquasars sont des couples d'étoiles composés d'un objet compact (étoile à neutrons ou trou noir) orbitant autour d'une étoile compagnon. Ces systèmes binaires sont également le siège de jets de matière très énergétiques, propulsés à des vitesses proches de celles de la lumière. Par illusion d'optique, ces projections, appelées « jets relativistes », paraissent même parfois dépasser la vitesse de la lumière. A l'échelle miniature, ils semblent la réplique exacte des quasars, cœurs de galaxies où de puissants jets sont propulsés par un trou noir géant, d'où leur nom de « microquasars »(4) . Relativement proches de nous, ces quasars miniatures sont de parfaits laboratoires pour essayer de comprendre les phénomènes de jets qui affectent aussi les galaxies. Si, jusqu'ici, les astrophysiciens soupçonnaient les microquasars d'être des sources de rayons gamma de haute énergie, jamais ils n'avaient pu observer avec certitude une telle émission. Les observations faites grâce au télescope Fermi du microquasar Cygnus X-3, situé dans notre Galaxie à environ 20 000 années-lumière dans la direction de la constellation du Cygne, changent désormais la donne. La signature gamma du microquasar est cette fois-ci sans équivoque et clôt un débat ouvert dans les années 70.
Les observations sont formelles : « Trois preuves nous ont conduit à cette conclusion : la coïncidence parfaite entre la source gamma détectée par Fermi et la position du microquasar Cygnus X-3, la variation dans le temps de l'émission en fonction de l'orbite du système binaire (période de 4.8 heures) et enfin la connexion entre l'activité gamma et celle des jets relativistes observée par les radio-télescopes», explique Stéphane Corbel, professeur à l'Université Paris Diderot et membre de l'Unité Mixte de Recherche AIM (Astrophysique Interactions multi-échelles).

Les chercheurs ont pu en outre montrer la variabilité de l'émission gamma : celle-ci apparaît juste avant une forte émission radio, signe de l'allumage des jets relativistes. Ces observations apportent donc de toutes nouvelles perspectives pour comprendre l'accélération des particules et la formation des jets relativistes.

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Paris, 17 octobre 2008

Le télescope Fermi découvre un pulsar grâce à son émission gamma

Le Fermi Gamma-ray Space Telescope (FGST) de la Nasa vient de découvrir pour la première fois un pulsar grâce à l'observation de son clignotement en rayons gamma. Environ trois fois par seconde, cette étoile à neutrons âgée de 10 000 ans envoie un faisceau de rayons gamma en direction de la Terre. Cinq équipes françaises de l'IN2P3/CNRS(1), du CEA/Irfu(2) et de l'Insu/CNRS(3) ont participé à l'analyse et l'interprétation de ces résultats, publiés dans la revue Science Express du 16 octobre 2008.

Un pulsar est une étoile à neutrons en rotation rapide, correspondant au coeur effondré d'une étoile massive ayant explosé en supernova en fin de vie. Les astronomes ont recensé aujourd'hui presque 1 800 pulsars dans la Voie Lactée. La plupart ont été trouvés grâce à leurs signaux radio, une poignée d'entre eux seulement grâce à leurs très faibles « bips » en lumière visible et en rayons X.

Ce nouveau pulsar, découvert par le satellite Fermi, réside à l'intérieur d'un vestige de supernova connu sous le nom de CTA1, situé à environ 4 600 années-lumière dans la constellation de Céphée. La puissance et la sensibilité du télescope LAT (« Large Area Telescope », instrument principal de Fermi) ont permis de découvrir cet objet en observant uniquement son rayonnement gamma. Le faisceau radio, bien qu'émis, manque probablement la Terre. Ce pulsar émet 1 000 fois plus d'énergie que le Soleil et son faisceau, tel celui d'un phare de marine, balaye la Terre toutes les 316,86 millisecondes.

Le LAT balaye l'ensemble du ciel toutes les 3 heures et capte un photon gamma par minute venant de CTA1. Cela est suffisant pour établir la périodicité de l'émission et déterminer la période de rotation de l'étoile et son taux de ralentissement. Le faisceau du pulsar naît des effets combinés du champ magnétique intense et de la rotation rapide de l'étoile à neutrons. Les particules chargées s'échappent des pôles magnétiques de l'étoile à une vitesse proche de celle de la lumière pour créer le faisceau de rayons gamma que Fermi détecte. Parce que l'énergie qui s'échappe par ce rayonnement est fournie par la rotation même de l'étoile, celle-ci ralentit graduellement. Dans le cas de CTA1, sa période de rotation augmente d'une seconde tous les 87 000 ans.

La découverte réalisée par le satellite Fermi montre le chemin à suivre pour trouver les nombreux pulsars jeunes qui se cachent dans la Galaxie. A peine 2 000 sont connus alors qu'on en attend près de 20 000 âgés de moins d'un million d'années. Tous ne seront pas assez proches pour être détectés mais les scientifiques espèrent que CTA1 est le premier d'une longue série qui permettra de mieux comprendre comment les pulsars peuvent produire ces incroyables faisceaux de lumière et de particules très énergétiques.

Le Fermi Gamma-ray Space Telescope de la NASA est développé en collaboration avec le Département de l'Energie américain, avec d'importantes contributions d'instituts et partenaires en France, Allemagne, Italie, Japon, Suède et aux Etats-Unis.

Paris, 29 novembre 2011

Une nouvelle technique pour voir les cristaux comme jamais
Une équipe européenne menée par des chercheurs de l'Institut Fresnel (CNRS/Universités Aix-Marseille 1 et 3/Ecole centrale de Marseille) et de l'ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) à Grenoble vient de mettre au point une nouvelle technique permettant de voir la structure nanométrique, jusque-là inaccessible, des matériaux cristallins (1). Grâce à un faisceau microscopique de rayons X, cette technologie révèle en 3D et en haute résolution des plages très étendues de l'échantillon analysé. De quoi révolutionner la recherche dans diverses disciplines où l'on étudie des structures cristallines complexes, comme les sciences du vivant ou la microélectronique. Cette méthode fait l'objet d'une publication dans la revue Nature Communications du mardi 29 novembre.
Jusqu'ici, il existait deux techniques pour analyser de près les matériaux cristallins contenant des imperfections, avec chacune leurs limites. D'un côté, la « diffraction des rayons X » classique (2), qui permet d'acquérir, en 2D et sans abîmer l'échantillon, des informations sur les  défauts de régularité dans l'échantillon, mais avec une résolution limitée de l'ordre du micromètre (10-6 m). Et de l'autre côté, la microscopie électronique en transmission (MET) dotée d'une bien meilleure résolution (10-10 m), fournissant une « vraie » image du cristal, mais destructive.

La technique développée par Virginie Chamard, chercheur CNRS à l'institut Fresnel et ses collègues surmonte les limitations de ces deux méthodes en cumulant leurs avantages : elle produit des images 3D haute résolution - de quelques dizaines de nanomètres (10-9 m) -, sans détruire l'échantillon, et apporte autant d'informations que la diffraction classique des rayons X. De plus, elle permet d'analyser des régions très étendues, potentiellement infinies. Concrètement, cette nouvelle technique consiste à focaliser, sur l'échantillon à analyser, un faisceau de rayons X microscopique, produit par un synchrotron (3). Dans ces travaux, les chercheurs ont utilisé le synchrotron européen (ESRF) de Grenoble. Pendant que le faisceau balaie l'échantillon, un détecteur capte l'intensité des rayons X « diffractés » (déviés) par l'échantillon et permet, ainsi, d'acquérir une série de « clichés de diffraction ». Ceux-ci sont ensuite traités par un algorithme, qui produit une image 3D de l'ensemble de l'échantillon avec des détails plus petits que la largeur du faisceau.

Les bases de cette technique dite « ptychographie » ont été imaginées en 1969 par le physicien allemand Walter Hoppe. Celui-ci y songea dans un autre but : améliorer la résolution du microscope électronique. Virginie Chamard et son équipe ont dû les adapter à l'imagerie des cristaux. Un travail qui a nécessité trois ans.

Mettre au point un tel procédé était crucial pour relever plusieurs grands défis tant scientifiques que technologiques  comme par exemple comprendre la croissance des coquillages, contrôler les propriétés optiques des semi-conducteurs ou améliorer les performances électriques des métaux (les coquillages, les semi-conducteurs et les métaux étant des matériaux cristallins complexes).

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Paris, 23 août 2007

Des ciseaux innovants pour couper les molécules
Faire de l'ammoniac nécessite de couper l'une des plus fortes liaisons chimiques connues : la triple liaison qui relie les deux atomes d'azote dans la molécule de diazote (N2). Les catalyseurs qui accomplissent cette coupure impliquent toujours plusieurs centres métalliques. Les chimistes du CNRS (1) ont observé un autre mécanisme de clivage, qui repose sur un seul centre métallique. Ils élargissent ainsi le champ de leur recherche, qui avait déjà permis d'activer d'autres molécules peu réactives comme le méthane, annonçant des débouchés dans le domaine des énergies nouvelles et de l'environnement durable. Ce travail est publié dans la revue Science du 24 août 2007.
La molécule de diazote (N2) est la plus répandue dans l'atmosphère, dont elle représente environ 80 pour cent. Les chimistes s'intéressent de près à l'élément azote, car il est présent dans plusieurs produits industriels, au premier rang desquels figurent les engrais, à base d'ammoniac (NH3). La synthèse d'ammoniac à partir d'azote moléculaire constitue un enjeu économique et écologique très important.
 
Jusqu'à présent, pour casser la triple liaison qui lie les deux atomes d'azote dans la molécule de diazote (N2), le seul procédé utilisé est le procédé Haber-Bosch. Il s'agit d'un procédé de catalyse hétérogène par des solides : la plupart des réactions de l'industrie chimique emploient des catalyseurs, dits «hétérogènes », quand ils ne sont pas dans le même état que les réactifs ou les produits (par exemple, s'ils sont solides quand les réactifs et produits sont gazeux) ; ils ne se mélangent pas aux produits de la réaction et peuvent être réutilisés. Dans le procédé Haber-Bosch, le mécanisme qui permet de couper la molécule de diazote implique  l'intervention de plusieurs métaux pour dissocier les deux atomes d'azote. Employé pour produire 100 millions de tonnes par an d'ammoniac dans le monde, il est aussi très gourmand en énergie, puisque il consomme un pour cent de la production mondiale d'énergie.
 
Pour la première fois, les chimistes lyonnais ont réussi à dissocier la molécule d'azote sur un seul centre métallique au lieu de plusieurs nécessaires dans le procédé actuel. Il s'agit d'un atome de tantale, très pauvre en électrons, lié à la surface d'une silice par deux liaisons SiO-Ta selon un processus très original. La synthèse de ce type de catalyseurs extrêmement réactifs est le résultat de longues années de recherches en chimie organométallique de surface. Cette discipline a déjà permis de réaliser de nouvelles réactions catalytiques sur d'autres molécules très difficiles à activer, tels le méthane (CH4) et les alcanes (hydrocarbures saturés). Notamment, les chimistes lyonnais ont réussi a dépolymériser le polyéthylène, afin de le recycler par exemple. Ils ont également utilisé le méthane  pour construire des alcanes plus longs (à plusieurs atomes de carbone), pressentis comme l'une des énergies nouvelles de demain. Cette découverte élargit le champ  d'application de la chimie organométallique de surface aux produits azotés et aux enjeux industriels et sociétaux qu'ils représentent.

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