impulsion laser

La nuit, sur le rivage, se dresse un phare. Sa lampe est éteinte presque tout le temps, mais une fois tous les quelques jours, pendant une fraction de seconde, il émet un éclat si puissant que sa lumière est visible au-delà de l'horizon.

Lorsqu'un faisceau laser frappe un gaz, il arrache les électrons des atomes et les accélère presque à la vitesse de la lumière. En traversant le plasma, ces électrons émettent des rayons X, comme une traînée lumineuse laissée par une particule rapide.

Un faisceau laser ordinaire va tout droit, comme la lumière d'une lampe de poche. Mais on peut enrouler la lumière en spirale — comme le filet d'un tire-bouchon. Un tel faisceau porte un moment angulaire orbital : il ne se contente pas d'éclairer, il fait tourner tout ce qu'il rencontre.

Deux électrons, éjectés de la pointe d'une aiguille métallique presque simultanément, commencent à se repousser, comme deux personnes qui se faufilent en même temps par une porte étroite. Plus ils sont proches l'un de l'autre, plus ils se gênent.

Les pulsars sont des étoiles à neutrons en rotation rapide qui émettent des impulsions radio, comme un phare. Mais certains d'entre eux restent silencieux presque tout le temps, ne lâchant qu'occasionnellement une impulsion isolée. Ces objets sont appelés transitoires radio rotatifs (RRAT).

La galaxie n'est pas un lac lisse, mais un étang parcouru d'ondulations. Ces ondulations sont créées par la matière noire ultra-légère (des particules des milliards de milliards de fois plus légères que l'électron).

Une corde sonne parfaitement pur tant qu'un courant d'air ne la touche pas. C'est à peu près ainsi que fonctionne un laser superradiant : un faisceau d'atomes, préalablement chargés d'énergie, traverse une pièce faite de deux miroirs — le résonateur optique (un piège où la lumière rebondit d'avant en arrière).

Un laser d'usine, qui sur les chaînes de production découpe et soude le métal, a été utilisé pour la première fois comme accélérateur de particules.

Imaginez un danseur à trois visages sur la crête d'une onde lumineuse. Un visage est celui d'un attrapeur, qui absorbe les photons incidents. Le deuxième est un miroir parfait, qui renvoie la lumière. Le troisième est un verre dépoli, qui diffuse les rayons dans toutes les directions. Tant que la vitesse est faible, la danse est harmonieuse.

La lumière peut être non seulement un faisceau, mais aussi une règle extrêmement précise. Si l'on prend des impulsions très courtes – plus courtes qu'un battement d'aile de mouche – et qu'on les émet à la suite, on obtient un peigne optique : un ensemble de couleurs espacées à intervalles strictement égaux, comme les dents d'un peigne.

Les minuscules aimants à l'intérieur des atomes — les spins nucléaires — peuvent « se figer » pendant de longues minutes dans un cristal froid. Cela gêne le réglage rapide des capteurs quantiques : tout met trop de temps à atteindre l'état souhaité. Des physiciens ont trouvé un moyen de les stimuler avec de la lumière.

Le laser frappe une cible faite de fils fins — et en quelques dizaines de femtosecondes (milliardièmes de milliardième de seconde), il en arrache un flux de protons. Ces protons pénètrent dans un convertisseur en lithium et deutérium, où naissent des neutrons.

Un flash d'appareil photo ordinaire dure des millièmes de seconde. Une impulsion attoseconde est un trillion de fois plus courte : pendant sa durée, la lumière parcourt une distance inférieure à la taille d'un atome.

Une tache solaire — île sombre sur la surface incandescente — respire. Toutes les trois minutes, une onde s'en échappe, court le long d'une arche magnétique invisible et fait briller le plasma au-dessus de la tache voisine en un signal radio. Sept de ces éruptions consécutives ont été captées par les radiotélescopes le 14 février 2024.

Un flash photo ordinaire fige l'instant en quelques centièmes de seconde – mais pour les atomes, c'est une éternité. Dans les molécules, les électrons sautent d'une orbite à l'autre en quelques attosecondes : un milliardième de milliardième de seconde. Pour capturer un tel événement, il faut une impulsion lumineuse plus brève que l'événement lui-même.

La lumière peut transporter l'information plus vite que n'importe quelle électronique. Mais habituellement, entre l'ordinateur et le laser se trouve un convertisseur numérique-analogique, un dispositif qui transforme les zéros et les uns en signaux électriques. C'est lui qui ralentit tout le processus. Le nouvel émetteur se passe de cet intermédiaire.

Un flash laser d'une durée de 50 femtosecondes, c'est comme un coup de feu qui durerait un milliardième de seconde. Pendant ce temps, la lumière ne parcourt que 15 micromètres – moins que l'épaisseur d'un cheveu humain.

Sous terre, dans une ancienne mine d'or, se trouve une cuve remplie de xénon liquide. Si une particule de matière noire la traverse, le xénon émet un éclair. Mais il en émet aussi sous l'effet de particules ordinaires, comme les neutrinos ou les résidus de radioactivité.

Le faisceau laser frappe un film d'or et d'argent pendant quelques nanosecondes seulement — le temps que la lumière parcourt moins d'un mètre. Au point d'impact, le métal entre en ébullition, se disperse et se fige en un motif aléatoire de minuscules particules. Chaque motif est unique, comme les fissures dans la glace ou les branches d'un arbre.

Au cœur de la constellation de l'Aigle se cache une nébuleuse qui ressemble à une bulle en expansion. Elle est soufflée par une minuscule étoile de la taille d'une ville — un pulsar qui effectue plusieurs rotations par seconde et perd de l'énergie de rotation.

Deux villes : l'une avec des rues droites et bien alignées, l'autre avec des ruelles tortueuses. Si on lâche un puissant jet d'eau sur les deux, dans la première l'eau s'écoulera rapidement par les canaux, tandis que dans la seconde elle inondera tout autour. C'est à peu près ce qui se passe dans les tissus lors de la radiothérapie ultrarapide, appelée FLASH.

Des flashs rythmés d'un phare dans un épais brouillard — voilà à quoi ressemble la recherche de pulsars. Le phare tourne, et son faisceau atteint périodiquement le télescope. Mais le brouillard diffuse la lumière, et la période semble légèrement différente.

Dans une boule dense de centaines de milliers d'étoiles, que l'on appelle un amas globulaire, les radiotélescopes ont capté un rythme faible mais très net. Toutes les 2,45 millisecondes — soit 408 battements par seconde — une impulsion radio arrive de là-bas.

Le radiotélescope VLA a scruté la nébuleuse du Boomerang, un nuage gonflé par le vent d'une étoile à neutrons en rotation rapide. Sur les nouvelles images, des détails de la taille d'un disque lunaire dans le ciel sont apparus : un noyau allongé autour du pulsar et un long arc qui le contourne par le nord.

Un faisceau laser vole généralement tout droit, comme un jet d'eau sortant d'un tuyau. Mais que se passerait-il si l'on tordait ce jet comme le filet d'un tire-bouchon ? On obtiendrait un ressort lumineux — un faisceau qui, en avançant, tourne également autour de son axe.

Une impulsion laser qui traverse un plasma est comme un coureur qui se fraye un chemin dans la foule. Il repousse les électrons, laissant derrière lui un canal raréfié, un peu comme la foule s'écarte devant un sprinteur.

Un blazar est une galaxie lointaine dont le centre émet un jet de plasma pointé presque directement vers nous. À l'intérieur de ce jet, les particules sont accélérées à des vitesses proches de celle de la lumière et émettent un rayonnement puissant.

Un anneau de la taille d'une assiette a fait tourner un faisceau d'électrons en cercle. Son diamètre est de 22 centimètres, et un tour complet ne prend que 4,7 nanosecondes. Pour comparaison : en une seconde, un tel électron aurait le temps de faire plus de deux cents millions de tours.

L'étoile à neutrons PSR J1101-6101 file à travers l'espace à une vitesse à couper le souffle. Elle laisse derrière elle un sillage de particules chargées, comme un hors-bord qui fend l'eau à pleine vitesse en traînant un sillage écumeux.

Même dans un faisceau laser, il y a un tremblement invisible : le bruit quantique. Les physiciens ont appris à le « compresser », comme un ballon serré à la taille : le bruit s'atténue dans une direction, mais s'amplifie dans l'autre. Les scientifiques ont caché l'excès de bruit là où il ne gêne pas les mesures précises de photométrie de la lumière.

Pendant douze ans, les astronomes du radiotélescope LPA à Pouchkino ont écouté la même région du ciel — la direction de la galaxie 3C 33. Pendant ce temps, ils n'ont capté que six brefs signaux radio, chacun durant de une à quatre minutes.

Il existe une portion de la lumière qui est restée longtemps une tache aveugle : de 5 à 15 térahertz. Ce ne sont ni des ondes radio, ni la chaleur infrarouge, mais quelque chose entre les deux, où les molécules vibrent de manière particulièrement caractéristique.

Faire évoluer un ordinateur quantique, c'est un peu comme tisser une toile d'araignée avec de la lumière : chaque fil vibre au souffle thermique, menaçant de rompre le motif à peine esquissé.