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Physique de l’espresso

Une recette ancestrale

Dans les grandes lignes, depuis son invention en 1884, la préparation d’un espresso consiste à forcer de l’eau chaude à passer assez rapidement à travers du café moulu très fin. Plus précisément, la température de l’eau ...

Des panneaux solaires bifaces

Les panneaux solaires : du silicium « dopé »

Dans un panneau solaire, l’énergie lumineuse est convertie en courant électrique, grâce à l’effet photoélectrique où un photon arrache un électron à un atome. Pour cela, il faut ...

Les électrons peuvent s’écouler comme l’eau

Lorsque l’eau s’écoule dans un tuyau, ce sont les interactions entre ses molécules qui la freinent. A l’inverse, lorsque des électrons s’écoulent dans un fil conducteur, c’est avant tout le fil lui-même qui les freine. Une équipe de chercheurs britanniques et israéliens, ...

Les cristaux temporels

Réseaux cristallins associés à l'eau. by Psi?edelisto, based on version by Dbuckingham42 - Own work, CC BY-SA 4.0,

Cristal et brisure de symétrie 

Un cristal est un état de la matière dans lequel les atomes sont ordonnés selon une périodicité spatiale ...

Du ribose dans les météorites

Le ribose, sucre vital

L’ADN - ou acide désoxyribonucléique - est formé en particulier d’un sucre, le désoxyribose, lui-même un dérivé du ribose (C5H10O5). Plus précisément, dans le désoxyribose (C5H10O4) un groupement hydroxyle (-OH) du ribose ...

Un nouveau comportement des électrons

Cooper pairs - Tem5psu CC BY-SA
Isolants, conducteurs et semi-conducteurs

Le comportement d’un solide cristallin relativement au courant électrique, peut être celui d’un isolant, d’un semi-conducteur, d’un métal ou d’un supraconducteur. Dans les isolants, ...

Interférences et biomolécules

CC BY-SA 4.0 Alexandre Gondran
Les expériences d’interférences mettant en jeu des molécules de plus en plus grosses et lourdes révèlent que les lois de la mécanique quantique sont applicables bien au-delà du monde de « l’infiniment petit » ...

Anomalie de dilatation thermique

By Simon Mer - Own work, CC BY-SA 4.0
Généralement, les matériaux se dilatent lorsqu’ils sont chauffés. La raison en est qu’une élévation de température correspond à une augmentation de l’agitation des atomes, or cette agitation n’est pas symétrique. En effet, deux atomes liés au repos sont espacés d’une distance optimale d’un point de vue énergétique, et ont beaucoup plus de mal à se rapprocher très près, que de s’éloigner l’un de l’autre. Cela résulte du fait que la force répulsive croit extrêmement vite si l’on cherche à diminuer la longueur de liaison, alors que la force attractive croit très lentement lorsqu’on tente d’augmenter cette longueur. En somme, la liaison interatomique agit comme « ressort » qui se comprime plus difficilement qu’il ne s’étire. Par conséquent l’agitation thermique a plutôt tendance à augmenter les distances interatomiques, donc le volume.

Pourtant, il existe des exceptions, comme l’eau lorsqu’elle gèle et qui est d’ailleurs l’exemple le plus courant. Plus précisément, la densité maximale de l’eau se situe vers 4°C, ce qui signifie que le liquide voit son volume diminuer lorsque la température grimpe de 0°C à 4°C. Sur cette plage de température, l’eau possède un « coefficient de dilatation négatif ». Certains éléments du tableau périodique se comportent également de cette manière, leur congélation provoquant une diminution de leur densité, le solide flottant sur le liquide. C’est le cas du silicium, du bismuth, du gallium, du germanium, du plutonium et de l’antimoine. Il s’agit là d’exemples d’anomalie de dilatation ne concernant qu’une petite plage de température ou n’ayant lieu que lors du changement de phase liquide - solide. Mettons l’eau liquide et les changements de phase de côté et intéressons-nous à des solides cristallins.

Existe-t-il de tels matériaux ayant un coefficient de dilatation négatif ? La réponse est oui et cela est bien mystérieux. Un des exemples les plus étudiés est le tungstate de zirconium (ZrW2O8) qui exhibe cette anomalie entre -273°C et 777°C. Un autre est le trifluorure de scandium (ScF3) entre -263°C et 827°C. D’autres exemples sont également connus, comme certains silicates, cyanures, les nanotubes de carbone, la glace elle-même quand elle est refroidie à – 200°C… Les études récentes du trifluorure de scandium (ScF3) commencent à lever le voile sur le mystère du coefficient négatif des solides cristallins. La distance entre des atomes liés ne diminue pas, mais c’est l’agitation de la structure cristalline qui permet une réduction de volume comme sur le schéma ci-dessous. Il est fort probable que toutes les autres anomalies puissent s’expliquer selon ce même modèle.

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du premier stage au premier emploi


Le plongeon final de Cassini
En orbite depuis 2004 autour de Saturne, la sonde Cassini effectue une lente descente en direction de sa surface avant de se désintégrer en septembre 2017.

Une mission riche en enseignements

Afin de mieux connaître Saturne et ses satellites, la sonde spatiale Cassini a quitté la Terre en octobre 1997. Parvenue à destination en 2004, elle s'est mise en orbite autour de la planète gazeuse, dont elle a étudié l'atmosphère, la magnétosphère, les anneaux et les satellites. Quelques mois après, elle a libéré la sonde Huygens, qui est descendue sur Titan en fournissant des informations sur l'atmosphère et le sol de la plus grosse des lunes de Saturne.

En treize ans, la sonde Cassini a fourni de nombreux résultats scientifiques, tels que la découverte des geysers d’Encelade, l'identification de plus de soixante lunes – y compris à l’intérieur des anneaux – ou l'observation d'un vortex à six tourbillons situé au pôle nord de la planète. Cassini devait clore son voyage en 2008, mais, devant ces succès, la mission a été prolongée.

Dans les nuages de Saturne

Le 22 avril 2017, Cassini a effectué son cent vingt-septième et dernier survol rapproché de Titan, subissant une accélération qui a amorcé la manœuvre suivante. Le 26 avril, en effet, la sonde a effectué à une vitesse de cent vingt-quatre mille kilomètres par heure un plongeon entre Saturne et ses anneaux, s’enfonçant dans l’épaisse enveloppe gazeuse de la planète. Dans cet espace encore inexploré, la grande antenne radio de la sonde a été pointée vers l’avant en guise de bouclier face à d'éventuelles collisions avec des poussières, ce qui l'a empêchée de communiquer avec la Nasa durant ce laps de temps.

Lorsque Cassini a repris contact avec la Terre, elle a transmis les cent seize images collectées lors du survol, des images brutes de la planète prises à une distance de seulement trois mille kilomètres. C’est la première fois qu’un engin spatial s’aventure si près de la planète gazeuse. Le deuxième des vingt-deux survols rapprochés de Saturne a eu lieu le 2 mai. La sonde passera à deux mille kilomètres de la surface de référence de Saturne, avant de se désintégrer sur Saturne en septembre 2017, soit un mois pile avant ses vingt ans.

Le grand final

Choisir la désintégration dans la haute atmosphère de Saturne comme fin de mission permet d'éviter de polluer Encelade et Titan, deux lunes de Saturne qui pourraient contenir de l’eau liquide sous leur surface gelée. En plus de cette démarche de protection planétaire, cette étape final permettra au vaisseau de faire des mesures scientifiques qui auraient autrement été impossibles.

Les mesures du champ de gravité autour de la planète renseigneront sur sa structure interne, tandis que les mesures de la masse des anneaux permettront de déduire leur âge. Dans les deux cas, les résultats obtenus grâce à la sonde seront confrontés aux modèles établis par les astrophysicien·ne·s, de manière à les affiner, les valider ou les remettre en question. Enfin, mesurer le champ magnétique de Saturne conduira à calculer plus précisément la rotation de la planète.

En savoir plus

Cassini-Huygens, sur le site du CNES

L'exploration de Saturne, sur le site du CNES

Juno explore Jupiter, sur Sciences en ligne

Une sonde à l'assaut d'un astéroïde, sur Sciences en ligne

New Horizons lancée vers Pluton et ses lunes, sur Sciences en ligne

Cassini : ultime ballet cosmique pour le sondeur des anneaux, entretien réalisé par le CNES

Arthur Jeannot
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