télédétection polarimétrique

Un réacteur à fusion, c'est comme un four surchauffé où le plasma atteint des millions de degrés. Les parois d'un tel four sont en tungstène : c'est le métal le plus réfractaire qui soit. Mais même le tungstène ne résiste pas sans protection : les particules rapides du plasma bombardent la surface et en arrachent des atomes.

L'orchestre joue, mais les musiciens ne s'entendent pas. Le chef interrompt sans cesse la musique et s'approche de chacun pour accorder son instrument. C'est à peu près ainsi que fonctionnent les télescopes spatiaux à miroir segmenté.

Photographier une exoplanète autour d'une autre étoile, c'est comme essayer de distinguer un ver luisant devant un projecteur. L'atmosphère terrestre ne cesse de bouger, et dans un télescope, cela se traduit par des taches dansantes, les speckles.

Cent quarante parsecs – la distance que la lumière parcourt en quatre siècles et demi – nous séparent du nuage moléculaire du Taureau. Dans ses profondeurs se cachent des condensations sombres : les cœurs préstellaires, où le gaz et la poussière cosmique se compriment lentement sous leur propre poids.

Une lampe de poche ordinaire émet une lumière dont les ondes oscillent dans toutes les directions à la fois. Mais si l'on fait passer la lumière à travers un filtre spécial, on obtient un faisceau qui oscille strictement dans un seul plan — c'est la lumière polarisée.

Nuit à La Palma. Le télescope William Herschel de 4,2 mètres est pointé sur Vénus. Au foyer, le polarimètre expérimental ExPo, conçu pour capturer la lumière fantôme des exoplanètes.

Le son se décrit naturellement par un nombre complexe, où le volume représente la force de l'onde et la phase sa position dans le temps. Les réseaux de neurones classiques séparent ces deux aspects en coordonnées indépendantes, un peu comme si l'on donnait une adresse par quartiers : « deux à l'est, un au nord ».

La spectroscopie a toujours été une manière d'entendre l'inaudible. Au XIXe siècle déjà, Johann Jakob Balmer déchiffrait les raies harmonieuses de l'hydrogène — une simple harmonie numérique qui préfigurait la théorie quantique.

Dans un système binaire serré, une étoile chaude, tel un projecteur, éclaire son compagnon plus froid. Une partie de la lumière est diffusée par les électrons libres de son atmosphère — c'est la diffusion de Thomson — et acquiert une polarisation linéaire.

Près d'un siècle après que Fritz Zwicky a soupçonné quelque chose d'anormal dans le mouvement des galaxies de l'amas de la Chevelure de Bérénice, et que Vera Rubin a mesuré les vitesses stellaires dans les bras spiraux, la nature de la matière noire reste l'une des énigmes les plus lancinantes.

Une toupie qui tourne si vite qu'elle fait vriller la lumière autour d'elle en spirales : voilà une image parlante de ce qui se passe à l'horizon d'un trou noir. Le plasma incandescent y tombe en émettant des ondes radio. Leur polarisation (c'est-à-dire le plan dans lequel oscille l'onde) devient une flèche qui indique la direction du flux d'énergie.

Les géantes rouges sont des étoiles vieillissantes qui ont gonflé. Dans leurs entrailles bouillonne un océan de plasma : la chaleur remonte du noyau vers la surface, engendrant des vagues semblables à un puissant ressac.

Les ondes gravitationnelles sont un frémissement de l'espace-temps lui-même. D'habitude, on n'en perçoit que le bourdonnement global, mais chaque onde possède aussi une direction d'oscillation : la polarisation.

L'ionosphère, à 70 kilomètres d'altitude, agit comme un miroir géant pour les ondes radio. Les antennes terrestres y envoient en permanence un signal et écoutent la réflexion.

La lumière, comme une corde que l'on secoue, oscille dans un plan bien défini. Les astronomes et les ingénieurs font souvent pivoter une image à l'aide d'un système de trois miroirs — le fameux miroir en K — mais ce faisant, le plan d'oscillation de la lumière se retrouve lui aussi tourné, involontairement.

Un laser classique ressemble à un orchestre dont les musiciens doivent s'échauffer avant de jouer à l'unisson. Il faut d'abord pomper assez d'énergie dans les atomes pour qu'ils se « retournent » et soient prêts à émettre de la lumière – c'est ce qu'on appelle l'inversion de population. Ce n'est qu'alors que le faisceau jaillit.

L'étoile à neutrons 4U 1735-44 avale la matière d'une étoile voisine. Cette matière s'enroule en un disque plat, comme l'eau qui s'engouffre dans le drain d'une baignoire. Mais ce disque brille en rayons X, et pour la première fois, les astronomes ont pu mesurer à quel point ces rayons sont « peignés », c'est-à-dire polarisés.

À la surface d'un film mince d'oxyde de bismuth-fer, on distingue de fines stries régulières, comme les sillons d'un champ labouré. Ce qui se trame en dessous était jusqu'ici un mystère.

On peut façonner un faisceau lumineux pour qu'il ressemble à une fleur à plusieurs pétales. Si l'on fait passer ce faisceau à travers un nuage d'atomes de rubidium refroidis et que l'on active un champ magnétique, les pétales se mettent à tourner. L'angle de rotation est directement lié à l'intensité du champ.

Le faisceau d'une lampe de poche dans le brouillard se décompose en des milliers de petites taches faibles. Chacune d'elles est de la lumière qui a été réfléchie de nombreuses fois par les gouttelettes d'eau avant d'atteindre l'œil. Pour démêler ce désordre, les physiciens établissent un tableau particulier : la matrice de diffusion.

Une goutte d'eau sur une feuille sous le soleil disparaît plus vite que ne le prévoient les calculs thermiques. Il y a quelques années, une hypothèse a émergé : la lumière, par elle-même, sans chauffer, pourrait arracher les molécules d'eau de la surface. On a appelé cela l'effet photomoléculaire.

Un gaz est presque invisible, mais il a une température, et on peut la lire dans la façon dont il « masque » le fond thermique. Dans l'expérience, une caméra observe un écran chaud à travers un jet de dioxyde de carbone. Si le gaz est plus froid que le fond, il apparaît comme une tache sombre ; s'il est plus chaud, comme une tache claire.

Dans les expériences de diffusion de particules, la cible est souvent polarisée : on aligne les noyaux de manière à ce que leurs spins pointent majoritairement dans une même direction. Le degré de cet alignement influence le résultat des collisions.

Pour aligner les spins des particules dans une même direction, les physiciens refroidissent généralement la matière presque jusqu'au zéro absolu et la placent dans un champ magnétique intense. C'est coûteux et encombrant.

Le Soleil n'est pas une sphère tranquille. À l'intérieur, des ondes se propagent en permanence, comme dans une cloche après un coup. Ces oscillations remontent à la surface et révèlent ce qui se passe sur la face cachée, invisible. Les astronomes savent depuis longtemps « écouter » cette sonnerie et y repérer de grands groupes de taches.

Selon la théorie d'Einstein, les objets massifs provoquent une courbure de l'espace-temps, un peu comme une boule lourde déforme une feuille de caoutchouc. En accélérant, ils créent des ondulations — les ondes gravitationnelles, semblables aux cercles que fait une pierre jetée dans un étang.

Une bille de verre dans un verre d'eau est presque invisible, mais si on la regarde à travers une nappe à carreaux, les lignes derrière elle se déforment. Les cellules transparentes se comportent de la même manière : la lumière les traverse, mais elle est légèrement ralentie et change de direction.

Un morceau de céramique de la taille d'un ongle est comprimé dans un étau, et sa structure interne se modifie, comme de l'argile sous les doigts. À l'intérieur du matériau, de minuscules régions qui étaient auparavant orientées de manière aléatoire s'alignent en rangées régulières.

Dans le nuage sombre L43, où naissent les étoiles, les grains de poussière tourbillonnent comme de minuscules boussoles. La lumière d'une jeune étoile les pousse, tandis que le champ magnétique les aligne dans une direction précise.

La lumière peut dessiner des motifs directement à l'intérieur de l'œil, sans écran ni lunettes. Lorsqu'un faisceau de forme particulière pénètre dans la pupille, il crée dans le champ visuel des rayons sombres, semblables aux rayons d'une roue en rotation. Ces rayons sont vus par la personne elle-même, car ils naissent dans les cellules de la rétine, et non à l'extérieur.

Une lampe de poche dans un épais brouillard ne sert à rien : le faisceau se disperse et la lumière réfléchie se noie dans les interférences. Mais si l'on relie deux photons par un fil invisible, l'un d'eux peut traverser le brouillard et revenir, tandis que l'autre reste en sécurité.

Le rayonnement térahertz se situe entre les micro-ondes et la lumière infrarouge. Il traverse les vêtements, le papier et le plastique, mais est arrêté par l'eau et le métal. C'est pourquoi ces ondes sont utilisées dans les scanners de sécurité et pour le contrôle qualité des matériaux.

Le fond diffus cosmologique est une faible lueur qui subsiste après le Big Bang, comme la trace d'un feu qui se refroidit. Il renferme le code des ondes gravitationnelles qui ont pu naître dans les premières fractions de seconde, lorsque l'Univers s'est gonflé plus vite que la lumière.

La lumière d'une étoile n'est pas qu'un simple flux : c'est une onde qui peut osciller dans différentes directions. La lumière ordinaire ressemble à une foule où chacun agite les bras au hasard.

La lumière qui traverse une fibre optique ressemble à un coureur dans un couloir étroit : il peut courir droit ou zigzaguer d'un côté à l'autre. La direction de ces « zigzags » est la polarisation.

Une caméra thermique classique ressemble à un thermomètre qui chauffe et refroidit lentement. Elle montre bien où se trouve la chaleur, mais ne suit pas les mouvements rapides. Le nouveau capteur fonctionne autrement : il compte les quanta de chaleur individuels, comme un compteur de gouttes pendant une averse.

Dans un champ, un réservoir d'eau qui sert normalement à piéger les particules venues de l'espace surveille désormais la quantité d'humidité dans le sol sous nos pieds. L'eau du réservoir agit comme un piège à neutrons — ces particules minuscules qui s'échappent du sol lorsque des rayons cosmiques le frappent.

Une boussole ordinaire se fige lorsqu'un éclair frappe à proximité. La brusque variation du champ magnétique déroute l'aiguille. Un problème similaire gênait les scientifiques pour mesurer le magnétisme des matériaux dans des champs pulsés intenses, ceux qui s'activent en un millième de seconde.

La lumière des galaxies lointaines traverse les lentilles d'un télescope comme à travers une pile de vitres. Chaque vitre est recouverte d'un film mince pour réduire les reflets. Mais ce film agit comme un filtre polarisant : une composante de l'onde lumineuse passe un peu plus facilement, l'autre un peu moins.

Le Soleil n'est pas une simple boule, mais un manoir magnétique. Ses fils de force invisibles, comme un câblage électrique, traversent l'espace et gouvernent la météo cosmique. Mais jusqu'ici, nous ne voyions ce câblage que depuis le palier — le plan de l'orbite terrestre. Le rôle du grenier et de la cave, les pôles magnétiques, restait un mystère.