Dr. Goulu

Pourquoi … Comment … Combien ?

Combien d’exoplanètes

Les 32 nouvelles exoplanètes découvertes récemment portent à plus de 400 le nombre de planètes découvertes autour d’autres étoiles que notre Soleil, assez pour commencer quelques statistiques et faire le point sur les progrès rapides  en planétologie.

Le site exoplanet.eu fournit les caractéristiques mesurées des exoplanètes connues et de leurs étoiles. J’ai complété ces données sur ce tableau* en y ajoutant:

  • les planètes du système solaire pour comparaison
  • les périodes de révolution ou demi grand axe manquants en utilisant la 3ème loi de Kepler
  • une estimation de la température de surface en utilisant la formule trouvée ici¹

Le graphique ci-dessous représente la masse et la température de toutes les planètes connues, ainsi que leur taille lorsqu’elle est connue.

Exoplanetes

La plupart des exoplanètes connues sont de la masse de notre Jupiter (le plus gros point orange le plus à droite) ou bien plus grosses encore. Celles découvertes en premier sont les “Jupiter chaudes” en haut du graphique, et plus récemment on a découvert les nombreuses “Jupiter froides” du bas, ainsi qu’une vingtaine de planètes orbitant dans la “zone habitable” où la vie serait envisageable.

Mais aucune qui ressemble à la Terre.

En fait, le problème vient de la précision encore insuffisante des méthodes et instruments de détection.

La méthode des vitesses radiales.

C’est la plus performante jusqu’ici. Appelée aussi “spectroscopie Doppler”, cette méthode consiste à mesurer les variations de vitesse de l’étoile qui oscille un peu sous l’effet de l’attraction de ses planètes en mesurant le décalage spectral de la lumière de l’étoile:

Crédit : Observatoire de Paris / ASM Emmanuel Pécontal

En 1995, la première planète extra-solaire 51 Pegasi b a été découverte par Mayor et Queloz de l’Observatoire de Genève à partir de ces mesures des variations de la vitesse de l’étoile :

Variations de vitesse radiale de l'étoile 51 Peg (Crédit : CNES)

Variations de vitesse radiale de l'étoile 51 Peg (Crédit : CNES)

En tournant en 4 jours seulement autour de son étoile alors que sa masse est la moitié de celle de Jupiter, 51 Pegasi b  fait varier la vitesse de son étoile de ±60 m/s, et en 1995 on était capables de mesurer ceci avec une précision de l’ordre de  ±8 m/s.

Aujourd’hui, l’instrument HARPS² permet des mesures de vitesses avec une précision de ±1 m/s, soit ±3.6 km/h. On peut littéralement voir une étoile se promener à pied !  Mais ce n’est pas suffisant pour voir une Terre, il faudrait encore augmenter la précision de la mesure d’un facteur 10 au moins.

La méthode des transits

Cette technique est théoriquement capable de détecter aujourd’hui des planètes de la taille de la Terre, mais seulement si leur orbite les conduit par chance exactement sur l’axe entre nous et l’étoile. Des instruments comme SuperWASP ou le récent satellite Corot sont  capables de mesurer la minuscule éclipse qui se produit alors, et de déterminer ainsi le diamètre de la planète, une information que ne fournit pas la vitesse radiale. En février 2009, Corot a ainsi détecté CoRoT-7b, une planète de 5 masses solaires seulement, un record…

vue d'artiste du transit de CoRot-7b devant son étoile. On est capables de mesurer nettement la baisse de luminosité...

Mais deux mois plus tard, HARPS reprend la tête de la course avec la découverte de Gliese 581 e, qui ne fait que 2 masses terrestres, mais orbite extrêmement près de Gliese 581, une étoile 3x plus légère que le Soleil et très peu lumineuse. HARPS y a découvert 4 petites planètes, dont 2 traversent la zone habitable.

Aujourd’hui et demain, de nombreuses expériences exploite(ro)nt ces deux méthodes et d’autres plus spéciales pour détecter des planètes de plus en plus petites.

Parmi ces “méthodes spéciales”, l’une mérite d’être citée ici car elle a permis la détection de petites exoplanètes en 1992 déjà, 3 ans avant la découverte de Pegase 51b par mes compatriotes. Il s’agit de l’étude par Alexander Wolszczan du pulsar  PSR 1257+12. Ce minuscule résidu de supernova  tourne sur lui-même en 6.219 millisecondes, émettant un signal radio d’une régularité qui devrait être parfaite, mais se trouve perturbé par 4 ou 5 planètes, dont une de la taille de la Lune.

Période du pulsar PSR 1257+12

Il ne fait pas bon vivre à proximité d’un pulsar, mais PSR 1257+12 nous indique que des planètes se forment partout, et qu’avec un peu de chance et beaucoup d’astuce, on pourra très bientôt découvrir des Terres lointaines. Et elles seront probablement nombreuses : aujourd’hui on estime que 20% des étoiles au moins ont des planètes. Certains chercheurs pensent que ce pourcentage pourrait être de 60% pour les étoiles comparables au Soleil, et il y en a beaucoup.

Parallèlement, on commence à identifier les caractéristiques chimiques des étoiles à planètes, par exemple leur teneur en lithium. On pourra ainsi mieux cibler la recherche de planètes, et établir des statistiques à l’échelle de la Galaxie.  Très bientôt, on connaitra enfin un facteur de plus de l’équation de Drake.

Références:

  1. La vie autour des étoiles géantes rouges sur Astrosurf
  2. HARPS High Accuracy Radial velocity for Planetary Search sur Astrosurf (article très complet)

Note* : mon tableau n’a aucune prétention scientifique, je n’ai fait que remplir les cases vides de celui de exoplanet.eu pour produire le graphique. En particulier les températures de surface sont très hypothétiques.

15 novembre 2009 Posté par Dr. Goulu | Astro, Physique, Suisse | | 5 commentaires

Copenhague : Shut up and calculate*

Little Professor par draggin sur flickr

Soyons fous : à Copenhague, adoptons la “société à 2ooo watts“. Divisons la consommation d’énergie de l’Europe par 3, persuadons Obama de réduire celle des USA d’un facteur 6 et la Chine de stopper la croissance de la sienne pour que le monde entier se retrouve à la moyenne actuelle de sa consommation d’énergie, mais propre.

Un petit calcul sur la Suisse pour commencer :

  • 7.5 millions d’habitants à 2000 W, ça donne une puissance de 15 Gigawatt à produire en continu.
  • 15 GW x 8766 heures donnent 141.5 Terawattheure (TWh) d’énergie à produire annuellement.
  • Nos barrages produisent 42.3 TWh
  • Les plans les plus optimistes pour le solaire+éolien prévoient 10 TWh en 2050. Dans le meilleur des cas, les énergies renouvelables couvriront donc  30% de nos besoins réduits d’un facteur 3 …
  • Heureusement, la société à 2000W nous permet tout de même 25% d’énergies fossiles, soit 36 TWh au maximum.
  • Les centrales nucléaires existantes fourniront 25.3 TWh jusqu’à ce qu’elles rouillent.
  • Restent 28 TWh à produire. Comment ???

Passons au calcul mondial :

  • 7 milliards d’habitants (en 2012) x 2000 watts x 8766 heures = 116′580 Terawattheures
  • 25% de pétrole, gaz, charbon : 29′145 TWh soit 2.5 milliards de tonnes équivalent pétrole, le quart de la consommation actuelle de charbon+pétrole+gaz , soit celle des années 1950:

     

    Evolution de la consommation mondiale d'énergie. Source : J.-M. Jancovici (Manicore)

  • 14′000 TWh de biomasse (=bois), biocarburants et biogaz
  • la production actuelle d’électricité est de 19′000 TWh , dont :
    • 3000 TWh hydrauliques
    • 242 TWh éoliens
    • 509 TWh de géothermie
    • 5 TWh photovoltaïque… Allez, ajoutons les 45.3 TWh de solaire thermique pour les encourager …
    • marémotrice et hydroliennes : autant que le photovoltaïque : 5 TWh
    • et 2587 TWh nuclaires
    • le reste, soit 12′607 TWh est actuellement produit par des centrales thermiques au charbon, gaz et pétrole. Normalement on devrait inclure ceci dans les 25% de pétrole, mais admettons qu’on équipe toutes ces centrales de systèmes de capture et de stockage du CO2, ok ?

    Admettons qu’on arrive encore à doubler la production hydroélectrique et multiplier par 10 la production des autres renouvelables pour atteindre 14′513 TWh. Vous pouvez multiplier par 100 le photovoltaïque si vous voulez, ça ne change rien. Arrondissons la production future d’électricité totale à 30′000 TWh

  • Total de la production : 73′145 TWh, soit seulement 60% de la consommation d’une humanité à 2000 watts.
    Comment produira-t-on les 43′600 TWh manquants ???

Je rappelle que ce scénario est basé sur des propositions environnementalistes actuelles qui impliquent une réduction d’un facteur 3 de la consommation d’énergie de l’Européen moyen…. Une utopie, passe encore, mais si le total ne joue pas, je m’inquiète…

*Note : Le titre de l’article “shut up and calculate” est la devise attribuée à “l’école de Copenhague“, active en mécanique quantique. Elle consiste à dire qu’à un certain niveau, il faut arrêter de s’interroger sur le sens philosophique ou métaphysique des choses, et se fier uniquement aux résultats des calculs…

8 novembre 2009 Posté par Dr. Goulu | Ecologisme, Economie, Energie, Monde, Suisse | , | 10 commentaires

Combien de Rendement

Votre banquier et les écolos environnementalistes vous le répètent à l’envi : il faut maximiser le rendement. Le moteur pétaradant de votre voiture du millénaire passé a un rendement inférieur à 30% à cause de Carnot, alors que le moteur électrique de votre véhicule futur est 3x meilleur : 90% de l’énergie électrique qu’on lui donne sert à faire avancer la voiture. Y’a pas photo.

Sauf que.

D’abord, pour calculer un rendement, il faut tenir compte de toutes les “sorties utiles” du système, pas seulement de la plus évidente. Les 70% de “perte” d’un moteur à essence sont de la chaleur gratuite qui réchauffe votre habitacle l’hiver et surtout qui tient vos vitres dégivrées. Avec son super rendement de 90%, la Tesla de mes rêves (100′000 Euros…) ne permet pas de rouler en hiver! La version 2 promise l’année prochaine sacrifiera environ 3 kW de précieuse puissance électrique pour remplacer doudoune et grattoir… Le même argument s’applique aux ampoules à basse consommation : elles n’économisent pas tant que ça, et certainement pas du CO2.

Ensuite, il ne faut pas oublier des éléments de la chaine : un moteur électrique a un rendement mécanique de 90%, mais la bonne batterie qui l’accompagne dans une voiture ne restitue que 90% de l’énergie de la charge. Rendement des deux : 81%. Et si on produit l’électricité avec une centrale nucléaire d’un rendement de 30%, le rendement global tombe à 24%. Finalement, les pistons ne sont pas si ridicules que ça…

Mais vous pensiez peut-être produire de l’électricité absolument propre avec  ces toutes nouvelles cellules photovoltaïques offrant 35.8% de rendement ? Pour les voitures, c’est une mauvaise idée. Mais surtout la Terre tourne et l’éclairement maximal n’a lieu qu’au solstice d’été à midi. Sur un an, la lumière moyenne à nos latitudes n’est que 20% de ce maximum. Rendement total du photovoltaïque : 20% de 35.8% = 7%…  Idem pour l’éolien : la Limite de Betz plafonne le rendement de l’hélice à 60%, mais à un endroit bien choisi, la puissance moyenne du vent n’est que le quart de la puissance max exploitable. Rendement total de l’éolien : 15%.

Nuage de monoxyde de dihydrogène... Photo : Koert Michiels sur flickr

Les centrales nucléaires ont effectivement un rendement maximal limité à 30% par le cycle de Carnot (plus 70% de chaleur qui pourrait être utilisée en hiver), mais elles fonctionnent 90% du temps.

On pourrait rétorquer que, comme seuls environ 5% des atomes du combustible fissionnent, le rendement électricité produite / énergie potentielle du combustible est un lamentable 1.5% à tout casser. Mais même comme ça, l’électricité nucléaire est 2 à 10 fois meilleure marché que les énergies renouvelables.

Mais surtout, l’énergie nucléaire possède une marge de progression du rendement énorme, que n’ont pas les autres sources d’énergie. En principe, on pourrait tirer jusqu’à 20 fois plus d’énergie de chaque kg d’Uranium qu’actuellement. Ou en produire 20 fois plus longtemps, en produisant 20 fois moins de ces “déchets” radioactifs gorgés d’énergie potentielle. Voilà pourquoi le nucléaire est loin d’avoir dit son dernier mot.

5 novembre 2009 Posté par Dr. Goulu | Ecologisme, Economie, Physique, Transports | , , , | 31 commentaires

Comment palper les molécules de la vie

Excellente présentation vendredi passé au Microclub [1] par Sandor Kasas, du Laboratoire de Physique de la Matière Vivante (LPMV) de l’EPFL. Il nous a expliqué comment les microscopes à force atomique permettent d’observer, de filmer voire de palper les “briques de la vie” (protéines, enzymes, ADN) en plein action.

Il a commencé par nous expliquer comment fonctionne un microscope à force atomique, AFM pour les intimes. C’est une évolution du microscope à effet tunnel (STM) inventé (en Suisse) en 1981 par Gerd Binnig et Heinrich Rohrer. Ils ont obtenu pour ça le prix Nobel 5 ans plus tard seulement (un record récemment battu par Obama).

Le principe du STM consiste à promener une pointe ultra fine au dessus d’une surface à observer, et à mesurer le “courant tunnel” produit par les électrons passant de l’échantillon à la pointe, ce qui permet de mesurer la distance entre les deux et de produire des images avec une résolution sub atomique. Plus fort encore : en appliquant une plus forte tension entre la pointe et l’échantillon, on parvient à coller un atome à la pointe, puis aller le déposer à un endroit précis, pour réaliser des choses incroyables comme celle-ci:

cercle de 48 atomes de fer déposés sur du cuivre. Diamètre = 14 nanomètres. les vagues au centre sont produites par la superposition des fonctions donde des atomes, preuve que la mécanique quantique nexiste pas que dans les livres.

cercle de 48 atomes de fer déposés sur du cuivre chez IBM. Diamètre = 14 nanomètres. les vagues au centre sont produites par la superposition des fonctions d'onde des atomes, preuve que la mécanique quantique n'existe pas que dans les livres.

Le STM souffre toutefois de quelques limitations: il ne fonctionne que dans un vide très poussé, avec des échantillons conducteurs d’électricité refroidis bien en dessous de 0°C.

AFMtip

poutre flexible de microscope à force atomique, et sa pointe

Ces inconvénients n’existe pas avec l’AFM, qui “palpe” la surface en mesurant avec un laser la nanométrique flexion  d’une minuscule poutre portant la pointe, sous l’effet combiné des forces  de Van der Waals (attractive) et électrostatique (répulsive). Avec un AFM, on peut observer des échantillons dans l’eau, à température ambiante. On peut observer de la matière vivante !

Sandor Kasas nous a ainsi montré de spectaculaires images de brins d’ADN  comme celle-ci, qui sera expliquée en détail plus bas:

ADN+topoisomerase II

image LVPM-EPFL

Mieux encore : on arrive à  appliquer des forces très précises sur l’échantillon, en appuyant les quelques atomes de l’extrémité de la pointe dessus.  Après avoir déposé  des microtubules sur un substrat percé, l’équipe du LPMV est ainsi parvenue à mesurer les modules d’élasticité et de cisaillement de ces constituants de la paroi cellulaire [2]!

MTflex

ADN Topoisomérase II (image : Wikipedia)

Plus fort encore : l’AFM permet de mesurer la force avec laquelle des protéines se lient entre elles, et de mieux comprendre des phénomènes biochimiques inaccessibles jusqu’ici. Sandor Kasas nous a ainsi présenté une étude sur le “complexe snare” , la membrane cellulaire du bout des axones où les neurotransmetteurs sont libérés pour transmettre l’influx nerveux entre les neurones. En mesurant les forces d’adhésion entre les protéines syntaxin 1 (sx1), SNAP-25 (S25) et VAMP 2 (V2), les chercheurs sont parvenus à  comprendre comment elles étaient agencées et comment  la toxine du tetanos (TeTx) perturbe le fonctionnement de ces protéines. [3] Wow !

Mais la recherche qui m’a le plus excité est celle qui a produit les images d’ADN plus haut. L’ADN est une très longue molécule : chacune de nos cellules en contient environ 1 mètre, super enroulée en une minuscule pelote, ce qui cause inévitablement des noeuds. Mais des “têtes de lecture” se promènent le long des brins d’ADN pour les décoder ou les répliquer, et les noeuds risquent de bloquer ce mécanisme vital.

Heureusement, il y a la topoisomérase II. C’est la présence de cette enzyme qui permet à la pelote de la première photo de se dénouer complètement en un petit quart d’heure. On n’est pas encore certains de comment elle fait, mais les chercheurs du LPMV aimeraient bien poursuivre leurs travaux [4] et prouver qu’elle triche en coupant un brin et en le raccommodant après avoir croisé l’autre! Un éviteur d’axe biologique ! incroyable, non ?

TopoIICette présentation fait partie des 10 meilleures auxquelles j’aie assisté, toutes catégories confondues. Merveilleusement multidisciplinaire, on naviguait en toute confiance entre mécanique quantique et biologie, entre chimie, optique et dynamique. Un régal. Merci Dr. Kasas !

Références:

  1. S Kasas, “Presentation Microclub 2009″, (pdf des slides avec encore plus d’images)
  2. A Yersin et al “Interactions between synaptic vesicle fusion proteins explored by atomic force microscopy“, Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), July 22, 2003 vol. 100 no. 15, p 8736-8741
  3. A. Kis, S. Kasas et al “Nanomechanics of Microtubules”, Physical Review Letter, 2002, Vol. 89, Nr 24
  4. Erika Ercolini “Scaling Properties of DNA Knots Studied by Atomic Force Microscopy”, EPFL Thèse No 4041, 2008

24 octobre 2009 Posté par Dr. Goulu | Biologie, Physique, Suisse | , , , | Pas encore de commentaires

Encore, Cassini, encore !

La sonde Cassini devait explorer le système de Saturne jusqu’en 2008, mais sa fantastique moisson d’informations a été prolongée jusqu’en 2010 pour observer l’équinoxe de Saturne, le moment où la lumière du lointain Soleil rase le plan des anneaux. C’est ces jours-ci. Cassini a pris de  fantastique photos dont mes préférées sont ci dessous.

Mais tout d’abord, une bonne nouvelle : il est question de prolonger la mission Cassini jusqu’en 2017, le prochain solstice sur Saturne !  Il faut juste convaincre la NASA de débourser $80′000′000 par an en salaires des équipes qui gèrent la sonde (ils sont beaucoup, ou bien payés ?) Ca fait cher la photo, mais ça vaut vraiment le coup. Go yankees, go !

La lune Promethée et la perturbation quelle cause à lanneau F de Saturne. Image prise dans le visible à environ 950000 km de Saturne. (NASA/JPL/Space Science Institute)

La lune Promethée et la perturbation qu'elle cause à l'anneau F de Saturne. Image prise dans le visible à environ 950'000 km de Saturne. (NASA/JPL/Space Science Institute)

Le sillon de Keeler est creusé dans lanneau A par la lune Daphné, le petit point blanc au milieu du sillon. On voit les vagues créées par la gravité de Daphnée sur les bords du sillon. Image prise le 11 juillet 2009 à environ 496,000 km de Daphnée. (NASA/JPL/Space Science Institute) #

Le "sillon de Keeler" est creusé dans l'anneau A par la lune Daphné, le petit point blanc au milieu du sillon. On voit les vagues créées par la gravité de Daphnée sur les bords du sillon. Image prise le 11 juillet 2009 à environ 496,000 km de Daphnée. (NASA/JPL/Space Science Institute) #

Lombre rasante dune lune sur les anneaux, dont on voit que les caractéristiques optiques sont très variables (NASA/JPL/Space Science Institute) #

L'ombre rasante d'une lune sur les anneaux, dont on voit que les caractéristiques optiques sont très variables (NASA/JPL/Space Science Institute) #

Montage montrant linfluence des lunes Prométhée et Pandore sur lanneau F (NASA/JPL/Space Science Institute)

Montage montrant l'influence des lunes Prométhée et Pandore sur l'anneau F (NASA/JPL/Space Science Institute)

Si ça vous plait, regardez encore les autres photos ici.

Sources:

23 octobre 2009 Posté par Dr. Goulu | Aerospace, Astro | | Pas encore de commentaires

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