Le 14 septembre 2015, l’observation du premier tango entre deux trous noirs, situés à 1,3 milliards d’années-lumière de la Terre, marqua la confirmation directe de l’existence des trous noirs. Cette grande découverte a permis d’ouvrir une porte sur une nouvelle façon d’observer notre Univers via la recherche des ondes gravitationnelles.

Il se passe dans l’Univers des phénomènes physiques, à la fois violents et spectaculaires, comme par exemple, la danse de deux trous noirs ou de deux étoiles à neutrons. Ces deux objets cosmiques très compacts gravitant l’un autour de l’autre, se rapprochant petit à petit, évoluent comme deux danseurs de tango. Quand la fin de la danse approche, une fusion brutale se produit. Le choc entre ces deux trous noirs est si fort qu’il va secouer et faire trembler l’espace-temps. La vibration est une onde qui va se propager comme une vague dans tout l’Univers. Ce phénomène, appelé onde gravitationnelle, a été conceptualisé par Albert Einstein en 1916 et la première détection a eu lieu un siècle plus tard, en 2015.

Les vibrations issues de chocs extrêmement violents dans l’Univers, ont paradoxalement une taille infime en arrivant sur Terre, réduisant ainsi les violentes explosions en un chuchotement.

Simulation de deux trous noirs avant leur collision / © SXS, the Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) project

La Traque d’un siècle : détection des danses cosmiques

La recherche de ces ondes est rendue possible grâce à des observatoires conçus spécialement pour la détection de ce type d’évènement : LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) aux États-Unis et Virgo en Italie. Après quatre décennies de recherches et de développement en instrumentation, la découverte des ondes gravitationnelles fut récompensée par un prix Nobel de physique en 2017¹.

Ces observatoires sont des détecteurs optiques géants permettant d’écouter les vibrations de l’espace-temps qui nous viennent du fin fond du cosmos. Ils sont composés de deux bras de plusieurs kilomètres perpendiculaires, d’un laser et de plusieurs miroirs au pouvoir réfléchissant exceptionnel. Le faisceau laser est séparé en deux grâce à une lame séparatrice. Chaque partie du faisceau va se propager le long des bras, rebondir sur les différents miroirs se trouvant en bout de bras et faire plusieurs allers-retours avant de se recombiner au niveau d’un détecteur. Le passage d’une onde gravitationnelle sur Terre va faire varier la distance parcourue par le faisceau laser et révéler ainsi l’existence d’une danse cosmique.

Les miroirs qui composent le détecteur géant jouent un rôle capital dans la détection, car ils rendent l’instrument extrêmement sensible capable d’entendre les signaux cosmiques qui parcourent l’espace-temps en centaine de milliers d’années lumières². C’est comme un microphone géant qui écoute les signaux qui lui arrivent de l’espace. Ces signaux nous informent sur ce qui se passe au-delà de notre système solaire en nous donnant l’identité, la distance et la masse de ces danseurs de l’extrême fin fond de l’Univers.

Vue aérienne du détecteur d’ondes gravitationnelles Virgo à Pise (Italie). On peut voir les longs bras de 3 km et le bâtiment central dans lequel le laser et le système de détection se trouvent. / © The Virgo collaboration/N. Baldocchi

Ma mission : une traque à l’échelle micrométrique

La mission qui m’a été confiée pour ma thèse est d’optimiser les miroirs hautes réflectivités des détecteurs d’ondes gravitationnelles Virgo et LIGO. Au Laboratoire des Matériaux Avancés (LMA/IP2I) de Lyon, les miroirs fabriquées comportent des spécificités à la pointe de la technologie. Grâce à une machine de dépôt unique au monde, on traite les miroirs en déposant une fine couche de matériaux en surface. Par ce procédé, les miroirs deviennent réfléchissants et très précis. Néanmoins, il crée des imperfections en surface qui deviennent problématiques pour la détection des vibrations de l’espace-temps³.

J’étudie la formation de minuscules défauts dans les couches minces optiques. Ces défauts de quelques microns diffusent la lumière du faisceau laser dans les bras des détecteurs induisant une perte en sensibilité. Pour cela, j’analyse de nombreux échantillons de miroirs avec différents paramètres de dépôts et je cherche à identifier la quantité et la nature de ces défauts. En parallèle, une deuxième partie de mon travail consiste à simuler le comportement de ces défauts avec la lumière laser pour comprendre ce qui se passe le long des bras des détecteurs.

Quand le mystère sur l’origine de ces défauts sera percé, il faudra ensuite trouver une solution pour les supprimer, car comprendre leur origine n’est pas suffisant. Ainsi, la performance des futurs miroirs sera grandement améliorée. Ils pourront détecter davantage d’ondes gravitationnelles qui nous arrivent du confins de l’espace et ainsi comprendre un peu plus notre étonnant Univers qui déjà ne cesse de nous surprendre.

Article écrit par Sihem Sayah, doctorante au Laboratoire des Matériaux Avancés – LMA – plateforme nationale de l’IP2I  (Université Claude Bernard Lyon 1)

Article publié dans le cadre des dossiers  « Les doctorants parlent de leur recherche » en partenariat avec Pop’Sciences – 25-06-2020

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Notes :

[1]  Les physiciens américains Rainer Weiss, Barry C. Barish et Kip S. Thorne.

[2]  Une année lumière (a.l) est la distance parcourue par la lumière dans le vide en une année. Une année lumière = 9 461 milliards de kilomètres.

[3]  La vibration est une vague qui ne dépasse pas un milliardième de milliardième de mètre tel que mesuré dans les détecteurs géants sur Terre.

PPour aller plus loin

• Ondes gravitationnelles : première détection conjointe LIGO – Virgo, CNRS, 27 sept. 2017
• Les miroirs les plus parfaits du monde, CNRS Le Journal, 27 janv. 2017
• En photos : au Laboratoire des Matériaux Avancés : Einstein dans le miroir, Sciences pour tous, Université Claude Bernard Lyon 1, 7 mars 2016
• Sihem Sayah, Ma thèse en 180 secondes – 2020, Université de Lyon, 3 mars 2020
• Ondes gravitationnelles : les détecteurs de l’extrême, CNRS Le Journal, 11 fév. 2016

[…] Au croisement de la modélisation, des sciences expérimentales et de la chimie théorique, les travaux de Margarida Costa Gomes, Directrice de Recherche CNRS, Laboratoire de chimie de l’ENS de Lyon, façonnent les procédés industriels de demain et répondent avec élégance aux besoins de développement durable.

On peut s’engager dans les sciences par goût de l’esthétisme. Le parcours de Margarida Costa Gomes le prouve.

[…]
« La théorie physique de la thermodynamique remonte au 19^e siècle. Albert Einstein la qualifiait de théorie physique dont les concepts de base ne seraient jamais mis en cause », s’amuse à raconter la chimiste pour introduire sa discipline. En effet, la thermodynamique conserve des enjeux très modernes. Indispensable aux industriels pour optimiser leurs procédés, elle participe, à l’aube du 21^e siècle, à un virage décisif : le développement de la chimie verte qui promet maîtriser la consommation d’énergie et la pollution engendrées par la chimie.

[…]

Extraits de l’article réalisé par Agnès Vernet, pour l’Université de Lyon | Mai 2020

Lire l’article complet sur :

IDEXLYON – Université de Lyon

©Pop’Sciences

Les milieux marins, bien qu’ils soient encore peu explorés, subissent de plein fouet les contrecoups des activités humaines. Pollutions plastiques ou industrielles, réchauffement des eaux, fonte des glaces, acidification généralisée des mers… L’hasardeuse gestion des ressources terrestres et océaniques par les humains a mis en péril l’équilibre de l’océan, pilier du vivant.

Malgré cela, une lueur d’espoir s’est ravivée pendant la longue période de confinement que nos sociétés ont traversé entre mars et mai 2020. Le volume et l’intensité de nos activités a baissé de telle sorte que le vivant a rapidement repris ses marques là où on ne l’attendait plus.

À Venise, en Méditerranée et sur une majeure partie de nos littoraux nous avons constaté – stupéfaits et rassurés – que le reste du monde vivant était doué d’une capacité de résilience plus importante que nous l’escomptions.

Du constat à l’action, la marche est grande et ce nouveau numéro de Pop’Sciences Mag contribue à rappeler que les milieux marins sont essentiels à notre subsistance. Partons du principe que (mieux) connaître les océans, c’est déjà (mieux) les protéger. De nombreuses équipes de recherche de l’Université de Lyon, bien que ni la ville de Lyon ni Saint-Etienne n’aient de façade maritime, étudient de nombreux phénomènes sous-marins : mécanique des fluides, chimie des océans, acoustique, microbiologie, géologie, archéologie sous-marine, droit international … Autant de disciplines à l’affut de phénomènes parfois imperceptibles, mais primordiaux pour la compréhension et la préservation des fonds marins.

La part invisible de l’océan

Dans le creux des courants, à la surface et dans les profondeurs des mers, se cachent des sons, une faune, des édifices, des microparticules et des phénomènes chimiques presque insaisissables. C’est à cette part invisible et mystérieuse que l’Université de Lyon via Pop’Sciences Mag s’intéresse. Une exploration de l’univers océanique en saisissant son rôle crucial dans la régulation du climat, en traversant les frontières invisibles qui le morcelle, en observant les surprenants phénomènes de bioluminescence qui se produisent dans les abysses, en écoutant les complexes paysages sonores qui s’y dessinent et en partant à la recherche des ports perdus de l’Antiquité.

Allez au-delà de ce que vous pensez connaître de l’océan en étudiant ce qu’il nous cache le plus. Car, c’est dans l’imperceptible et l’inexploré des milieux marins que se dissimulent les raisons de croire à leur préservation.

Plongez dans l’invisible !

Stéphane Martinot

Administrateur provisoire de la COMUE Université de Lyon

COMMENCER LA LECTURE

Avec la participation des laboratoires de l’Université de Lyon suivants :

• La Maison de l’Orient et de la Méditerranée Jean Pouilloux (CNRS, Université Lumière Lyon 2, Université Claude Bernard Lyon 1, Université Jean Moulin Lyon 3, Université Jean Monnet Saint-Étienne, ENS de Lyon, Aix Marseille Université)
• L’Institut de recherches sur la catalyse et l’environnement de Lyon (CNRS, Université Claude Bernard Lyon 1)
• Le Laboratoire d’Ecologie des Hydrosystèmes Naturels et Anthropisés (CNRS, Université Claude Bernard Lyon 1, ENTPE)
• Le Laboratoire de mécanique des fluides et d’acoustique (CNRS, École Centrale de Lyon, Université Claude Bernard Lyon 1, INSA Lyon)
• L’Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon (CNRS, Université Claude Bernard Lyon 1)
• Le Laboratoire de Géologie de Lyon Terre-Planète-Environnement (CNRS, ENS de Lyon, Université Claude Bernard Lyon 1)
• Le Centre de droit international (Université Jean Moulin Lyon 3).

Cotons-tiges, gobelets, verres et assiettes en plastique…Suite à l’adoption de la loi Pacte, ces produits à usage unique sont interdits à la vente depuis le 1^er janvier 2020. Une mesure visant à freiner l’un des fléaux de notre société moderne : la pollution par les déchets plastiques. En 2019, la fondation Tara a mené une expédition visant à cerner le phénomène dans les cours d’eaux européens dont le Rhône : le sujet mobilise les acteurs scientifiques de la région.

Un article rédigé par Caroline Depecker, journaliste, pour Pop’Sciences – 7-02-2020

10 tonnes chaque seconde…

Par sa légèreté, son étanchéité et son caractère bon marché, voilà 70 ans qu’il incarne notre mode de consommation de masse. Quelques 10 tonnes de plastiques seraient mises en circulation chaque seconde dans le monde. Et à 45% pour un usage unique. En France, seuls 22 % des déchets plastiques sont recyclés¹, les autres sont incinérés ou bien enfouis, mais pas que.

Prélèvement de micro-plastiques à l’aide de filet manta depuis le pont de Richmond (UK) en amont de Londres / ©Boris Eyheraguibel

Dès les années 1970, les scientifiques ont lancé l’alerte : au-delà des macro-déchets, ce sont des débris plastiques plus petits, de l’ordre du millimètre, qui s’accumulent dans les océans. Ces derniers auraient déjà stocké 110 millions de tonnes de plastiques représentés à 90% par des microplastiques : des fragments dont la taille est inférieure à 5 millimètres. Ils en recevraient 8 millions de tonnes nouvelles chaque année. Leur origine ? Une étude datée de 2016² suggère que 80% d’entre eux viennent de la terre et transitent par les fleuves³ : un sujet connu, mais insuffisamment documenté jusqu’à présent. Des travaux réalisés la même année ⁴ ont montré, par exemple, que la Seine charriait davantage de microfibres synthétiques que de microfragments (constitués surtout de polyéthylène), tandis qu’une recherche anglaise⁵ a souligné que 66 % des déchets présents dans la Tamise sont des microplastiques.

Pour pallier cette lacune de données scientifiques, en 2019, de mai à novembre, la goélette scientifique Tara a parcouru les quatre façades maritimes européennes et prélevé des échantillons dans neuf des principaux fleuves d’Europe. Son objectif :  évaluer la concentration en microplastiques charriés de la sorte, ainsi que leur impact sur les organismes marins.

Préparation de nasse contenant différents plastiques avant immersion dans le fleuve. / ©Boris Eyheraguibel

« Nous avons remonté le Rhône depuis son embouchure jusque Arles, la première grande ville rencontrée » indique Boris Eyheraguibel, de l’Institut de Chimie de Clermont-Ferrand, qui a fait partie de l’expédition. La collecte des microplastiques s’est faite à l’aide d’un filet de type Manta à maille fine, de 300 micromètres, ou encore grâce à des prélèvements sur les berges. « Nous avons encore échantillonné des nasses contenant différents types de plastiques -et pour certaines des moules quand la salinité était suffisante- qui avaient été volontairement immergées un mois avant notre passage », précise le chimiste. Ce sont ainsi 2700 échantillons prélevés sur 45 sites situés entre terre et mer qui sont désormais aux mains d’une quarantaine de chercheurs répartis sur 17 laboratoires partenaires.

L’exploitation de ces échantillons devrait durer deux à trois ans. « Ils vont transiter d’un laboratoire à l’autre pour subir différents traitements et ce n’est qu’une fois l’ensemble de ceux-ci réalisés que nous pourrons avoir une vision globale, qualitative et quantitative, de la pollution aux microplastiques », complète Boris Eyheraguibel. «  On peut d’ores et déjà penser qu’elle est élevée : des macrodéchets comme des cotons tiges, des emballages alimentaires, des bouteilles, des bouchons… abondaient en effet sur les berges visitées, or on sait qu’ils se fragmentent sous l’effet mécanique des vagues et des rayons ultraviolets du Soleil. Ce processus a été largement étudié en mer et nous pensons le vérifier à large échelle aujourd’hui en eau douce. »

De fait, 100% des prélèvements remontés à bord de Tara et observés une première fois au microscope témoignait de la présence de microfragments plastiques. En quantifiant les déchets et en identifiant leur nature au laboratoire, les chercheurs espèrent, d’une part, augmenter leurs connaissances sur le processus de fragmentation en faisant le lien entre la quantité de macrodéchets rencontrés et celle de microplastiques, et, d’autre part, caractériser l’origine de ces derniers : beaucoup de résidus en polyéthylène téréphtalate témoigneraient, par exemple, d’une pollution majeure aux bouteilles plastiques, des fragments de polyéthylène ou polypropylène à des emballages… Supposée, la contamination des eaux par des microbilles utilisés dans certains cosmétiques et dentifrices a bien été observée.

La plastisphère, des communautés microbiennes vivant à la surface des plastiques.

Un premier lot d’une vingtaine d’échantillons est en cours d’analyse au laboratoire Biométa* de Boris Eyheraguibel. Ces derniers ont été congelés dans de l’azote liquide dès leur arrivée à bord de la goélette : une étape importante afin de préserver les communautés microbiennes vivant à la surface des plastiques, ce qu’on appelle la « plastisphère ». Une quinzaine de bactéries marines sont d’ailleurs connues pour digérer les polymères afin de produire leur propre énergie. « Les microbes de la plastisphère intègrent ces derniers dans leur métabolisme en les dégradant progressivement, explique le scientifique. Après avoir éclaté les cellules des microorganismes récoltés, nous analyserons l’ensemble des molécules qu’ils avaient préalablement produites, ce qui nous permettra « in fine » de déterminer les mécanismes de la dégradation microbienne. » Les scientifiques s’attendent à trouver davantage d’espèces bactériennes capables de dégrader les plastiques dans les fleuves qu’en mer et qui le feraient encore plus efficacement.

Collecte de macro-dechets plastiques dans la laisse de mer à l’embouchure de la Tamise (UK) en aval de Londres / ©Boris Eyheraguibel

« Notre deuxième contribution à la mission concerne la recherche des polluants organiques fixés sur les morceaux de plastiques (pesticides, antibiotiques, hydrocarbures, PCB…) ou celle de leurs additifs (plastifiants, retardateurs de flammes, antimicrobiens, etc.) qu’ils relarguent naturellement, complète Boris Eyheraguibel. Ce travail sera associé à l’évaluation, par un laboratoire partenaire, de la toxicité engendrée par les mêmes échantillons. »

Les effets des microplastiques sur les organismes vivants sont pour l’heure peu connus : ils peuvent conduire de façon mécanique à une occlusion intestinale des espèces animales et impactent sérieusement la croissance du zooplancton – l’un des premiers chaînons de la chaîne alimentaire aquatique – en réduisant considérablement son appétit. Pour ce qui est de la toxicité chimique, on sait que certains de leurs additifs comme lebisphénol A et les phtalates sont des perturbateurs endocriniens. A cette date, plusieurs échantillons de plastiques « témoins », issus des nasses immergées pendant un mois lors de la mission Tara, présenteraient – d’après la fondation éponyme – des signes de toxicité significatifs.

Fortement médiatisée ces dernières années, la pollution aux plastiques investit désormais les laboratoires.

Assimilés à des capteurs passifs susceptibles de fixer les polluants organiques, les microplastiques miment le comportement des sédiments, ce qui a donné l’idée à Marina Coquery, responsable de l’équipe du Laboratoire de chimie des milieux aquatiques au sein de l’unité de recherche Riverly du centre INRAE** basé à Villeurbanne, d’intégrer cette problématique dans le cadre du réseau de l’Observatoire des Sédiments du Rhône qu’elle co-pilote aujourd’hui. « Ce réseau comprend une dizaine de stations de mesure où l’on collecte les sédiments en suspension pour analyser ensuite les contaminants qu’ils renferment, explique-t-elle. Situées dans le corridor rhodanien ainsi qu’en aval des principaux affluents du fleuve, elles nous fournissent une bonne image de la contamination du bassin en micropolluants organiques ainsi qu’en métaux trace. Opérationnel depuis dix ans, ce réseau permettrait de suivre les plastiques moyennant peut-être quelques adaptations. »

Les études aboutissent à la naissance du projet Déchets plastiques sur le continuum Rhône-Méditerranée

Poursuivant cette dynamique, la chercheure a initié avec la Zone atelier du bassin du Rhône le projet Déchets plastiques sur le continuum Rhône-Méditerranée soutenu par l’Observatoire Hommes-Milieux Vallée du Rhône. Son objectif : déterminer les apports du fleuve en micro et macroplastiques dans la mer Méditerranée. En décembre dernier s’est tenu la première étape de ce projet : un atelier participatif réunissant les associations actives sur le sujet, mais aussi les partenaires opérationnels comme la Métropole de Lyon, l’Agence de l’eau Rhône Méditerranée Corse (RMC), ou E.D.F.

« Plutôt que d’engager immédiatement une action de recherche supplémentaire, nous désirions réunir les acteurs de terrain concernés – une trentaine – afin qu’ils échangent sur leurs expériences et leurs savoirs. Nous avons été étonnés des connaissances déjà accumulées. Nous voulions aussi faire émerger les questions principales qu’ils se posaient et ébaucher des pistes de réponse. ». Après traitement, ces dernières donneront lieu à un plan d’actions non disponible à ce jour. La suite du projet est attendue pour mars prochain avec un 2^e atelier réunissant cette fois-ci des acteurs scientifiques locaux susceptibles d’apporter leur contribution à ce dernier. A l’Agence de l’eau RMC, les sollicitations viennent de toute part afin de mieux cerner le sujet de la pollution liée aux plastiques. « C’est une bonne chose qu’il y ait de plus en plus d’actions engagées dans ce sens. Cependant, il est nécessaire aujourd’hui de se mettre ensemble afin de réfléchir collectivement ! » conclut Marina Coquery.

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Notes

* L’équipe Biométa est un laboratoire de l’Institut de Chimie de Clermont-Ferrand – Université Clermont Auvergne, CNRS, Sigma

**INRAE : Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement

(1) Stoppons le torrent de plastique !  – Guide à destination des décideurs français pour sauver la Méditerranée – WWF Rapport 2019

(2) Plastics in the marine environment – eunomia, Dr Chris Sherrington, June 2016

(3) Plastic pollution – Hannah Ritchie and Max Roser, Sept. 2018, University of Oxford  (Carte concernant l’apport des fleuves en micropolluants)

(4) Premières investigations sur les microplastiques en Seine, Rachid Dris, Lisa Lahens, Vincent Rocher,Johnny Gasperi, Bruno Tassin, Université Paris-Est – Laboratoire eau environnement et systèmes urbains – Rapport 2016

(5) Large microplastic particles in sediments of tributaries of the River Thames Horton, Alice & Svendsen, Claus & Williams, Richard & Spurgeon, David & Lahive, Elma. (2016). , UK – Abundance, sources and methods for effective quantification. Marine Pollution Bulletin. 114. / 10.1016/j.marpolbul.2016.09.004.

PPour aller plus loin

• La pollution par microplastiques est partout, mais on connaît mal ses effets sur la faune – The Conversation, 12 février 2020