mesure de rotation

Sur une route étroite, deux caravanes avancent l'une vers l'autre. L'une, large et lente, transporte une cargaison de densité. L'autre, une file de chariots légers chargés de courant, se faufile entre les premiers. Ainsi, dans la décharge d'un magnétron coexistent deux structures qui tournent en sens opposés : la raie de densité et les filaments de courant.

Les ondes radio d'un pulsar lointain traversent le milieu interstellaire et rencontrent sur leur chemin des structures magnétiques invisibles de la taille de la distance entre le Soleil et la Terre.

Imaginez une corde tendue entre deux chevilles. Le moindre effleurement la fait vibrer, et la hauteur du son révèle comment on l'a touchée. Des physiciens de l'Université de l'Arizona ont tendu une corde semblable, non pas sur un instrument de musique, mais sur une membrane de silicium d'une centaine de nanomètres d'épaisseur.

Un faisceau laser ressemble à un tourbillon rapide qui capture un instant un électron qui passe. Pendant que la particule traverse l'impulsion, son spin (la rotation propre, comme celle d'une petite toupie) subit une faible poussée.

Les sursauts radio rapides — des impulsions radio millisecondes provenant de galaxies lointaines — sont longtemps restés une énigme.

Au cœur de nombreuses galaxies se cache un trou noir supermassif qui éjecte des jets de plasma relativistes sur des centaines de kiloparsecs. L'un d'eux est la galaxie radio ESO 137-G007 dans l'amas de la Règle, connue sous le nom de « Galaxie-tire-bouchon » en raison de ses jets en spirale.

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.

Déjà Jocelyn Bell Burnell, qui avait enregistré pour la première fois la périodicité stricte des signaux radio, avait remarqué que certaines impulsions disparaissaient soudainement. Aujourd'hui, nous savons que cette variabilité n'est pas un caprice, mais la voix d'une électrodynamique extrêmement complexe.

Lorsque deux trous noirs fusionnent, ils secouent la trame même de la courbure de l'espace-temps. Le géant nouveau-né ne se calme pas instantanément – il résonne, telle une cloche cosmique, émettant un motif caractéristique d'ondes gravitationnelles amorties : le fameux ringdown.

Quatre minuscules flaques, et dedans barbotent des gouttelettes de superfluide. Ces gouttelettes sont des atomes refroidis à presque zéro absolu et appariés comme de petits aimants. Lorsque l'ensemble tourne, le liquide s'écoule entre les flaques. Il suffit de compter combien de gouttelettes se trouvent dans chacune — et l'angle et la vitesse de rotation deviennent connus.

La cime d'un grand arbre s'agite sous le vent, mais les racines et le tronc restent cachés sous terre. Sur le Soleil, ces racines invisibles sont les champs magnétiques. Ils émergent des profondeurs, traversent toute l'atmosphère et dirigent le mouvement du gaz surchauffé – le plasma.

Les ondes radio émises par un sursaut gamma — la mort d'une étoile massive qui éclipse brièvement une galaxie — nous parviennent polarisées, oscillant dans un plan unique, telle l'aiguille d'une boussole figée dans un champ magnétique. Pour la première fois, les astronomes ont lu les indications de cette aiguille cosmique.

Un phare lointain s'embrase un instant, plus brillant qu'une galaxie entière. C'est un sursaut radio rapide — un signal mystérieux venu des profondeurs du cosmos.

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 patineur tourne sur la glace en se rapprochant progressivement du centre. Sa trajectoire n'est pas une spirale parfaite : parfois, il tombe dans le rythme de la musique et effectue un tour supplémentaire, modifiant légèrement sa vitesse. C'est à peu près ce qui se passe pour un petit trou noir lorsqu'il tombe sur un trou noir supermassif.

Au fin fond de l'espace, une étoile à neutrons en rotation rapide, un pulsar surnommé Phare, file à travers un gaz ténu. Telle une vedette fendant l'eau, il laisse derrière lui une traînée lumineuse de particules chargées. Cette traînée est visible en rayons X comme une queue brillante et un mince filament s'étendant sur plusieurs années-lumière.

La lumière émise par de fines couches de semi-conducteurs peut être polarisée : ses ondes oscillent dans un même plan. On pensait auparavant que la direction des oscillations était imposée par l'éclairage de l'échantillon.

Une petite bille à noyau de fer repose sur une surface, et un champ magnétique tourne autour d'elle. La bille se met à rouler comme une roue, et en général elle va dans le sens de rotation du champ. Mais parfois, elle fait soudainement demi-tour et roule dans l'autre sens — à contre-courant.

Une pile de papier : si les feuilles sont posées bien droites les unes sur les autres, la lumière les traverse de la même manière. Mais tournez une feuille de quelques degrés, et le tableau change. C'est à peu près ce qui se passe avec les couches de certains matériaux : tournez-les les unes par rapport aux autres, et leurs propriétés changent, parfois radicalement.

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 radiopulsar J1574+4703 est une étoile qui se comporte comme un phare capricieux. Au lieu d'émettre en continu, il allume son faisceau radio par brèves impulsions, puis se tait longuement. De tels objets sont appelés « transitoires radio rotatifs » — en abrégé RRAT.

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.

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.

Le champ magnétique est invisible, mais on peut l'entendre. Les atomes de rubidium dans une cellule de verre y réagissent comme des cordes à l'archet : les ondes radio les font osciller entre des états d'énergie.

Dans les laboratoires où l'on refroidit des atomes presque jusqu'au zéro absolu, la moindre variation du champ magnétique dérègle tout. Les capteurs habituels — plaques de Hall ou bobines à noyau de ferrite — sont placés à quelques centimètres de la chambre à vide, car ils créent eux-mêmes des perturbations.

La lumière est un flux de photons, et en temps normal, un photon n'a pas de moment magnétique : il n'est pas dévié par un aimant comme le sont les copeaux de fer.

Une étoile à neutrons de la taille d'une ville tourne plus vite qu'un mixeur de cuisine et projette des particules autour d'elle. Un nuage lumineux se forme alors — on l'appelle le halo de pulsar. La forme de ce nuage dépend des champs magnétiques invisibles qui, comme les courants océaniques, guident les particules.

Un tuyau d'arrosage projette un puissant jet d'eau. Si on le pince légèrement ou qu'on le secoue, le jet commence à onduler comme un serpent et des gouttes volent de tous côtés. Quelque chose de similaire se produit avec les jets de plasma géants éjectés par les trous noirs.

Un minuscule diamant flotte dans l'air, maintenu par un champ électrique, comme un grain de poussière dans un rayon de lumière. À l'intérieur se cachent des défauts — des endroits où un atome de carbone est remplacé par de l'azote, avec un vide à côté.

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.

Un aimant de frigo tient parce qu'à l'intérieur, les minuscules flèches atomiques sont alignées dans une même direction. Mais la mécanique quantique fait trembler ces flèches, et l'aimantation totale devient inférieure à la valeur idéale.

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.

Dans l'immense accélérateur de particules, où des protons lancés à une vitesse proche de celle de la lumière percutent une cible de néon, naissent des baryons charmés — des particules qui vivent moins d'un milliardième de seconde.

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.

Un faisceau de lumière à polarisation circulaire tombe sur un cristal de pérovskite MAPbI3. Les électrons à l'intérieur du cristal se comportent comme de minuscules toupies dont les axes s'alignent le long du faisceau. Ce phénomène est appelé orientation optique des spins.

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 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.