Mon stage à la NASA ! – WUS#31

Je suis en stage au Jet Propulsion Laboratory (JPL), c’est-à-dire un centre de la NASA en Californie. Aujourd’hui, je vais vous parler de ce stage, comment je l’ai obtenu, et ce que j’y fais ! On parlera du JPL, mais pas énormément puisque j’y consacrerai un billet entier plus tard (une fois que j’aurais visité tout le labo !). Je travaille dans le cadre de la mission Rosetta, que vous connaissez sûrement : j’étudie la comète « Tchoury » pour 67P/Churyumov-Gerassimenko, Damien avait écrit un billet à ce sujet il y a un peu plus d’un an. Mais alors comment étudier une comète ? C’est ce qu’on va voir ! Spoiler : je n’ai pas encore croisé d’extra-terrestre.

20170426_162928

Comment j’ai obtenu ce stage

Vous le savez peut-être, nous avons participé aux Olympiades de physique en 2012 (j’en avais fait un billet il y a quelques temps). Outre le fait que participer aux Olympiades et aux autres concours qui ont suivi était une expérience incroyablement enrichissante, elle nous a aussi permis de rencontrer des chercheurs. Profitant de l’occasion qui nous était offerte, et grâce à l’intermédiaire de notre prof de physique, nous avons discuté avec un astronome, chercheur à l’Observatoire de Paris et membre de l’Académie des Sciences, Pierre Encrenaz. Nous lui avons à l’époque fait part de notre intérêt pour l’aérospatial et l’astrophysique. Nous lui avons demandé s’il était possible de faire un stage à l’Observatoire de Paris, et il a accepté !

J’ai fait depuis trois stages à l’Observatoire, et Damien deux. Ces stages ont parfois été un véritable casse-tête administratif, puisqu’il s’agit de stages hors cursus. Or pour signer une convention il faut trois parties : la personne qui fait le stage, le laboratoire d’accueil et l’organisme de formation. C’est bien souvent cette dernière composante qui faisait défaut, l’institution de formation (en l’occurrence la fac, l’ENS ou le lycée dans lequel nous étions en prépa) ne valide pas toujours – et même en fait très rarement – un stage qui n’est pas dans le cursus. Mais avec beaucoup de ténacité et parfois quelques astuces administratives, nous avons fini par parvenir à notre fin, c’est-à-dire travailler dans un labo pendant une bonne partie des vacances d’été !

Observatoire-de-Paris-exterieur-vue-d-ensemble-630x405-C-Observatoire-de-Paris
L’Observatoire de Paris. Il paraît qu’à l’époque de sa construction en 1667 certains astronomes se sont plaints car il était trop loin de Paris… il est à Denfert Rochereau.

Notre travail portait sur la sonde Rosetta. Je vous encourage à lire le billet de Damien à ce sujet : Rosetta est une sonde spatiale envoyée dans l’espace il y a plus de 10 ans afin d’étudier une comète située à plus de 500 millions de kilomètres (!!!). Imaginez la précision démoniaque des calculs qui ont été nécessaires. Rosetta a étudié la comète grâce aux différents instruments de mesure qu’elle avait apportés à son bord, en tournant autour de la comète pendant un peu moins de deux ans, a envoyé Philae avec plus ou moins de réussite à la surface de la comète, puis s’est gentiment – et volontairement – crashée sur Tchoury, mettant ainsi un terme à la mission Rosetta.

67p
La comète 67P alias « Tchoury » ! On voit les particules (poussière + gaz) qui s’échappent de la surface sous l’effet du Soleil ! – ESA/OSIRIS.

La mission Rosetta est une mission de l’ESA, l’agence spatiale européenne. Mais en réalité, et c’est très souvent le cas dans le domaine, la plupart des instruments de mesure sur la sonde sont des collaborations internationales. Si bien qu’une équipe qui s’occupe d’un instrument de mesure est constituée de membres de l’Observatoire de Paris aussi bien que de la NASA. Ainsi, lorsque nous avons présenté notre travail par mail et par téléconférence à l’équipe qui s’intéresse au radiomètre/spectromètre MIRO (Microwave Instrument for the Rosetta Orbiter), nous nous sommes fait connaître à quelques chercheurs, notamment du Jet Propulsion Laboratory.

rosetta
La sonde Rosetta – ESA.

Je suis en master de physique à l’ENS – récemment renommée – Paris-Saclay. Notre cursus prévoit un stage de 15 semaines. Quand je l’ai su l’année dernière, j’en ai parlé à Pierre Encrenaz ainsi qu’aux chercheurs du JPL avec qui j’avais interagi. Ils me connaissaient, connaissaient mon travail et m’ont proposé de continuer sur le même sujet ! Après cet accord de principe, est venu le temps de la mise en place administrative du stage, et ce n’était vraiment pas une mince affaire. La France est connue pour être un pays assez procédurier. D’un autre côté, les Etats-Unis d’une part et la NASA d’autre part ne sont pas des endroits où on rentre très facilement. Ajoutez à cela mon statut de normalien assez opaque pour des américains, et vous avez un beau bazar administratif qui a pris plusieurs mois. Mais maintenant, j’y suis, je travaille au JPL depuis une semaine !

20170428_153127

Le Jet Propulsion Laboratory

La NASA est répartie en une dizaine de centres de recherche. Johnson, au Texas. Marshall, dans l’Alabama. Goddard, près de Washington. Kennedy bien sûr, en Floride, centre de lancement des missions spatiales. Et il y a aussi (entre autres) le Jet Propulsion Laboratory, à Pasadena, en Californie. Chaque centre a sa spécialité. Le JPL (qui a ceci de particulier que c’est une structure mixte entre la NASA et le California Institute of Technology) est le centre qui est en charge de la plupart des rovers et sondes spatiales gérées par la NASA. C’est au JPL que sont développés les « spacecrafts », et qu’ils sont pilotés.

JPL c’est un site gigantesque où travaillent environ 6000 personnes. Avec un niveau de sécurité impressionnant. Notamment pour les étrangers. Une sécurité physique pour rentrer sur le site mais aussi informatique pour rentrer sur le réseau de JPL et avoir accès aux données. Car je suis dans la division Science, qui regroupe environ 200 personnes je dirais. Je reparlerai plus longuement de JPL dans un billet dédié, avec plein de photos (si j’ai le droit de les publier) !

20170420_152829

L’étude de la comète

Comment avoir des informations sur la comète ? On peut prendre des photos, mais comment connaître sa composition interne par exemple ? J’avais parlé de l’interaction lumière matière dans mon billet sur notre projet pour les Olympiades de physique : « envoyer de la lumière bien choisie (terme qu’on définira un peu plus tard) sur un échantillon peut donner tout un tas d’informations sur cet échantillon : la lumière est-elle réfléchie, transmise, diffusée, selon quel angle, avec quelle intensité ? L’interaction lumière-matière est une source d’information incroyablement riche pour sonder la matière ». C’est exactement ce que fait le spectromètre MIRO : il envoie de la lumière bien choisie, en l’occurrence des micro-ondes, c’est-à-dire des ondes électromagnétiques dont la longueur d’onde est de l’ordre du centimètre. Mais pourquoi ces ondes là en particulier ?

miro_001
Le radiomètre/spectromètre MIRO – NASA/JPL.

Spectroscopie rotationnelle

Les niveaux d’énergies atomiques sont quantifiés. Oui on a brutalement changé de sujet… mais en fait pas tant que ça. Reprenons : l’énergie d’un atome varie par paliers, elle ne vaut pas n’importe quelle valeur. J’ai déjà eu l’occasion d’en parler dans le billet sur le phénomène de résonance ou celui sur la condensation de Bose-Einstein. Cette quantification est propre au monde quantique. Ainsi, si on envoie sur un atome un faisceau de photons dont l’énergie correspond à une transition entre deux paliers, la matière absorbe la lumière. C’est l’absorption. D’autre part, dans un milieu comprenant un grand nombre d’atomes, les atomes dans un niveau d’énergie excité retombent à leur état fondamental en émettant des photons d’énergie égale à la différence d’énergie de la transition. C’est ce qu’on appelle l’émission spontanée.

400px-Vibrationrotationenergy-fr.svg
Diagramme montrant (en ordonnée) les différents niveaux d’énergie rotationnelle possibles pour une molécule. Les flèches correspondent aux différentes transitions.

Et bien sachez qu’on peut faire la même chose avec des molécules. Les degrés de libertés supplémentaires entre atomes formant une molécule induisent une quantification supplémentaire, et donc des niveaux d’énergie quantifiés, qui deviennent la signature de la molécule. En d’autres termes, la manière dont les atomes s’agencent entre eux est responsable de l’apparition de transitions énergétiques caractéristiques de la molécule. On peut calculer les différences d’énergie théoriquement via des calculs quantiques. Et donc si on envoie sur un milieu des ondes à la bonne énergie (donc à la bonne fréquence) elles vont être absorbées par le milieu. L’idée de la spectroscopie c’est d’essayer ça à plein de fréquences, en balayant les différentes fréquences possibles, pour voir quelles fréquences sont absorbées par le milieu et ainsi accéder à la signature moléculaire du milieu, et accéder à sa composition ! On peut regarder aussi le spectre (car on parle ici de regarder les fréquences, comme dans le billet sur le monde de Fourier) émis par le milieu, c’est-à-dire l’intensité du signal reçu en fonction de la fréquence.

C’est comme ça qu’on peut en déduire la composition du gaz entourant la comète, et a fortiori de la comète elle-même ! Les ondes envoyées correspondent aux transitions de l’eau, mais aussi du méthane, du monoxyde de carbone, et on en a trouvé sur la comète grâce à cette méthode. Mais plus encore, puisque l’allure du spectre dépend aussi de la proportion des différentes molécules ! C’est de cette manière que les scientifiques de la mission Rosetta ont pu comparer le rapport isotopique de l’eau sur la comète avec celui de l’eau terrestre ! (Ils en ont conclu que ce rapport était différent). On peut aussi regarder avec les ondes envoyées par MIRO à différents endroits de la comète, et ainsi faire une carte des régions les plus actives de la comète, celles qui émettent le plus de particules quand elles sont chauffées par le Soleil. La spectroscopie est un domaine incroyablement riche, et pas seulement en astrophysique évidemment, puisque ce que je viens de dire à ce propos est valable tout le temps !

Figure-3-Hyperfine-spectrum-of-182-Ir-The-theoretical-spectrum-top-has-been
En haut, un spectre théorique, et en bas, le spectre expérimental de la même molécule – Collaboration for spectroscopy measurements using a pulsed laser ion, J. Savage et al.

Conclusion

Voilà j’espère que ce billet vous aura intéressés ! N’hésitez pas à poser des questions en commentaire. Si vous êtes lycéen et que vous aimeriez travailler à la NASA un jour, mon conseil : rencontrez des chercheurs, faites des stages, et travaillez bien !

N’hésitez pas à nous suivre sur Twitter si vous voulez des infos plus régulières et quelques photos. La part de l’astro est très présente sur le net, sûrement parce que c’est assez inspirant conceptuellement et que c’est très beau visuellement. Mais il n’y a pas que l’astro qui est cool en physique, on s’efforce de le montrer sur ce blog !

Je tiens à remercier les gens qui ont rendu ce stage possible : Pierre Encrenaz, Marie-Christine Baurrier, Bernard Plasse et Mark Hofstadter.

 

Pour les plus audacieux, mon sujet de stage : la couche de Knudsen

Si tout se passait uniquement comme je l’ai dit, un spectre serait uniquement constitué de pics infiniment fins correspondant aux transitions possibles. En réalité, les pics spectraux ont une certaine épaisseur. D’une part du fait du principe d’inégalité de Heisenberg, selon laquelle l’énergie d’un objet n’est pas définie avec une précision infinie. Mais aussi parce que les molécules sont en mouvement dans le gaz étudié autour de la comète, si bien que la fréquence perçue par le capteur est légèrement différente de la fréquence de la transition, c’est ce qu’on appelle l’effet Doppler (c’est comme ça que marche un radar).

Vous savez sûrement que dans l’air qui nous entoure, quand il n’y a pas de vent, le gaz est à l’équilibre. Cela ne veut pas dire que les molécules de gaz sont immobiles, elles sont toutes en mouvement, en train de se collisionner. Mais globalement si on fait la moyenne des vecteurs vitesses de chacune des molécules, on trouve que la vitesse moyenne est nulle. Les particules ne vont pas dans un sens privilégié, à l’équilibre. C’est assez logique. Ainsi comme les vitesses des molécules sont globalement nulles mais toutes différentes, la transition spectroscopique à une fréquence fixe se déforme en un pic d’épaisseur non nul dû à la somme des décalages Doppler de chacune des molécules. Comme on peut le savoir sur le spectre que j’ai mis comme illustration au-dessus.

Il se trouve que sur la comète, il existe une couche proche de la surface où la vitesse moyenne du gaz n’est pas nulle. En effet, exposée au Soleil, la surface glacée de la comète se sublime, et les particules sont émises vers l’extérieur. La distribution des vitesses des molécules n’est pas une distribution d’équilibre comme c’était le cas dans mon exemple précédent. On parle alors de couche de Knudsen. Et cette couche de Knudsen induit donc un décalage Doppler supplémentaire dans l’allure du spectre, qui est donc en fait une image de la distribution des vitesses des particules.

Mon travail consiste à déterminer un moyen pour utiliser les données spectroscopiques de MIRO afin d’en déduire l’épaisseur de la couche de Knudsen. Car cette épaisseur est à peu près égale au libre parcours moyen des molécules, c’est-à-dire la distance moyenne qu’une particule parcourt avant de taper dans une autre. Or le libre parcours moyen dépend de la pression de sublimation à la surface de la comète, qui dépend elle-même du type de glace à la surface ! Ainsi, si on trouve l’épaisseur de la couche de Knudsen, on peut connaître la structure cristallographique de la glace sur la comète, information très précieuse pour les modèles visant à décrire la formation des comètes !

Publicités

5 réflexions sur “Mon stage à la NASA ! – WUS#31

  1. Gabylc 14 juin 2017 / 21 h 56 min

    Je suis ravie d’avoir découvert ce blog par @ComSciComCa 😀 Super parcours en tout cas, et le stage est super classe ! Et c’est une bonne piqure de rappel pour se souvenir que même si la com autour de Tchoury a été assez condensée, le travail sur cette mission et ses données est loin d’être terminé.

    (Petite coquille par contre : Pasadena, c’est pas en Floride :p dans le premier paragraphe de présentation du labo)

    Aimé par 1 personne

    • Charlie 15 juin 2017 / 2 h 45 min

      Merci beaucoup pour ce retour ! 🙂
      Et bien vu pour la coquille, je corrige ça !

      J'aime

Laisser un commentaire

Entrez vos coordonnées ci-dessous ou cliquez sur une icône pour vous connecter:

Logo WordPress.com

Vous commentez à l'aide de votre compte WordPress.com. Déconnexion / Changer )

Image Twitter

Vous commentez à l'aide de votre compte Twitter. Déconnexion / Changer )

Photo Facebook

Vous commentez à l'aide de votre compte Facebook. Déconnexion / Changer )

Photo Google+

Vous commentez à l'aide de votre compte Google+. Déconnexion / Changer )

Connexion à %s