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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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L'accélération de l'expansion de l'Univers
Des simulations numériques préparent le calibrage du satellite Euclid, qui sera lancé en 2020 pour essayer de comprendre l'accélération de l'expansion de l'Univers.

Le modèle cosmologique à l'épreuve

Une des énigmes majeures de l'astrophysique est de comprendre l'accélération de l'expansion de l'Univers. Afin de caractériser la nature de l'énergie sombre, qui en constituerait 68% de l'énergie, le satellite Euclid sera lancé en 2020 par l’Agence Spatiale Européenne pour une durée de vie de six ans et trois mois. Grâce à l'analyse de la déformation de la lumière sous les effets d'influence gravitationnelle, il dressera une cartographie en trois dimensions de plusieurs centaines de millions de galaxies.

Les creux et les pleins de l'Univers sont qualifiés par les spécialistes de toile d'araignée cosmique. Savoir comment la matière se distribue dans l’Univers en fonction du temps dans cette toile permettra de constituer un large catalogue de simulations, fondées sur différents modèles de la physique. Aujourd'hui, les physiciens sont obligés d'utiliser la constante cosmologique pour expliquer l'expansion de l'Univers, outil de modélisation qui ne s'inscrit pas encore dans un cadre théorique solide.

Vingt-cinq milliards de galaxies dans une simulation numérique

En Suisse, une équipe de chercheur·euse·s a réalisé une simulation numérique contenant vingt-cinq milliards de galaxies, soit 3 fois 1012 particules dans la simulation, le nombre de particules simulées traduisant le degré de précision du modèle. Les données utilisées dont issues des mesures du rayonnement cosmologique de fond du satellite Planck, lancé en 2009. Le code a été optimisés pour des microprocesseurs graphiques à l'origine développés pour les cartes graphiques, il a donc été rendu possible par l'industrie du jeu vidéo.

Grâce à la faible occupation en mémoire du programme réalisé, la simulation astrophysique n'a nécessité que huitante heures de traitement par le supercalculateur suisse Piz Daint, doté de cinq mille processeurs graphiques fonctionnant en parallèle. La simulation a été essayée sur un supercalculateur plus puissant, à Oakridge, aux États-Unis, qui a permis d'inclure jusqu'à 8 fois 1012 particules. La prochaine étape sera de multiplier les simulations en montant jusqu'à 1013 particules, ainsi qu'en intégrant au modèle de calcul des écarts au modèle standards.

De telles simulations parviennent à prédire l'évolution des amas de galaxies vers la distribution actuelle d'énergie dans l'espace, avec une grande précision puisque les petites galaxies sont prises en compte, à partir de 10% de la taille de la Voie Lactée soit à peu près à la taille du Grand nuage de Magellan. Ces travaux participeront à calibrer le satellite Euclid, ainsi qu'à confronter ses résultats avec les données du satellite pour confirmer ou invalider les modèles de la cosmologie. D'ici le lancement de la mission en 2020, d'autres modélisations seront effectuées, y compris avec des modèles non-standards s'écartant des équations d'Einstein.

Publié le 12 juillet 2017

En savoir plus

Une simulation virtuelle de 25 milliards de galaxies pour vérifier les lois de la physique, sur Sciences et avenir

Nouvelle mesure de l'expansion de l'Univers, sur Sciences en ligne

Un sondage aux origines de l'Univers, sur Sciences en ligne

Un milliard d'étoiles à l'étude, sur Sciences en ligne

Usines galactiques, sur Sciences en ligne

Euclid, sur le site du CNES

Arthur Jeannot
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