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traduction entiere
L'effet Mpemba pourrait se produire dans les fluides
granulaires
12 oct. 2017
L'effet Mpemba porte le nom de l'écolier tanzanien Ernesto
Mpemba
Mpemba effect could occur in granular fluids
Oct 12, 2017
Le mystère s'approfondit: l'effet Mpemba peut-il également
se produire dans les milieux granulaires?
Le mystère des raisons pour lesquelles l'eau chaude semble
geler avant l'eau froide est celui de physiciens longtemps déconcertés, qui ont
proposé divers mécanismes qui pourraient permettre le soi-disant «effet
Mpemba», même si certains scientifiques le considèrent comme un mythe. Cependant,
un cadre théorique viable émerge maintenant pour ce phénomène contre-intuitif.
Dans un nouvel article paru dans Physical Review Letters, une équipe de physiciens
d'Espagne rapporte avoir observé un effet similaire dans des modèles de fluide
granulaire.
L'effet est nommé d'après un jeune garçon tanzanien appelé
Ernesto Mpemba, qui a d'abord remarqué en faisant des glaces artisanales
qu'elles gelaient plus rapidement s'il ne refroidissait pas le
lait avant de le placer au congélateur. Mais il existe des références à des
phénomènes similaires dans les écrits remontant à Aristote. Aucun consensus n'a
émergé sur le type de mécanisme qui pourrait être impliqué, mais les courants
de convection, la surfusion, ou la nature inhabituelle de la liaison hydrogène
dans l'eau ont tous été proposés comme des possibilités.
Plus tôt cette année, Oren Raz, maintenant en poste à l'Institut Weizmann en Israël, et
Zhiyue Lu de l'Université de Chicago ont franchi une étape clé vers une telle
théorie universelle, avec la première étude véritablement quantitative montrant
qu'il est théoriquement possible de geler les choses chaudes plus vite que les
choses plus froides. Leur modèle prédit également un effet inverse, à savoir
qu'un système plus froid peut chauffer plus vite qu'un système plus chaud.
Antonio Lasanta-Becerra de l'Universidad de Extremadura à
Badajoz, en Espagne, a lu leur article et a été intrigué. Il a demandé à deux
collègues, Antonio Prados et Francisco Vega Reyes de l'Université
d'Estrémadure, de s'appuyer sur ce travail et de concevoir leur propre modèle
pour l'effet Mpemba dans un fluide granulaire. La clé de leur modèle est que
leur fluide granulaire contient des sphères inélastiques. Donc, quand elles
entrent en collision, les particules perdent de l'énergie par des mécanismes
autres que la perte thermique, ce qui accélère le processus de refroidissement.
La principale critique de l'analyse de Raz et Lu était
qu'ils utilisaient des modèles très simples ,alors que l'eau était beaucoup plus compliquée. Cela
rend le suivi des physiciens espagnols si important, car il trouve le même
comportement dans un fluide granulaire 3D.
Greg Gbur, physicien à l'Université de Caroline du Nord,
Charlotte, qui n'était impliqué dans aucune étude, souligne que les expériences
originales de Mpemba étaient réalisées avec
du lait, un type de liquide très différent ,avec de nombreuses plus grosses
particules en suspension dans l'eau. "Ce peut être un modèle proche de ce
que Mpemba a réellement fait", dit-il. Et cela pourrait aussi s'avérer
pertinent pour l'eau: si l'échantillon n'est pas pur et contient des particules
de soluté plus grosses similaires, ces impuretés pourraient être un facteur
contribuant à l'effet Mpemba.
Le travail est décrit dans Physical Review Letters.
A propos de l'auteur
Jennifer Ouelette est un écrivain scientifique basé à Los
Angeles, en Californie
MON COMMENTAIRE
I l peut apparaitre logique que la diffusion thermique varie à l’intérieur de fluides a gros grains
et que la conductibilité thermique
de ces derniers intervienne dans
un processus de refroidissement thermique
d’ensemble
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Les expériences apportent une nouvelle lumière sur la façon
dont le carbone qui donne la vie est forgé dans les étoiles
Experiments shed new light on how life-giving carbon is forged in stars
Oct 11, 2017
11 oct. 2017
Selon Hoyle: les deux voies de désintégration
Deux équipes de physiciens nucléaires ont effectué les mesures
les plus sensibles encore sur la façon
dont une forme excitée de carbone-12 connu sous le nom de l'état de Hoyle se
décompose en trois particules alpha constituantess. Les résultats fournissent
une meilleure image de la structure des états excités dans le carbone et
d'autres noyaux et améliorent notre compréhension des processus de fusion qui
forgent de nouveaux éléments à l'intérieur des étoiles, disent les chercheurs.
Le carbone est essentiel à la vie sur Terre et est créé par
la fusion nucléaire au sein des étoiles géantes rouges. Dans ce qu'on appelle
la réaction triple-alpha, un noyau d'hélium (particule alpha) se joint à un
autre pour créer du béryllium-8, qui se combine ensuite avec un troisième noyau
d'hélium pour former du carbone-12. Mais il y a un problème avec cette image de
base. La vie du béryllium-8 apparaît
trop courte pour expliquer les grandes quantités de carbone dans le système
solaire - sa désintégration en seulement 8 × 10-17 s ne lui donnant qu'une
chance minuscule de fusionner avec une particule alpha avant qu'elle ne
disparaisse.
En 1953, l'astronome britannique Fred Hoyle a proposé que ce
problème puisse être surmonté si la fusion du béryllium-8 avec une particule
alpha générait un état excité du
carbone-12 qui se désintègre rapidement en carbone par l'émission d'une paire
de rayons gamma. . Connu sous le nom d'état de Hoyle, il a ensuite été observé
dans les spectres d'énergie des collisions nucléaires réalisées en laboratoire.
À ce jour, cependant, la structure de l'état de Hoyle se présente comme un puzzle.
Le modèle conventionnel de la structure nucléaire nous dit
que les protons et les neutrons agissent comme des particules individuelles qui
remplissent des "coquilles" comme des électrons le font dans un atome. Mais ce modèle est loin
de prédire correctement le niveau d'énergie de Hoyle. Un schéma alternatif dans
lequel les protons et les neutrons se regroupent pour former trois particules
alpha dans le noyau de carbone se rapproche beaucoup plus de l'énergie d'excitation correcte. Mais il
reste à savoir si le carbone 12 est constitué entièrement de grappes ou s'il
est en partie constitué de grappes et aussi d'une collection de protons et de
neutrons individuels. Il existe également une incertitude sur la manière dont ces
grappes interagissent entre elles.
Une façon d'éliminer le brouillard consiste à démonter
l'état de Hoyle en ses trois particules alpha constitutives afin de déterminer
la fréquence relative - ou «rapport de ramification» - de deux voies de
désintégration en concurrence. Une première
voie est la voie en deux étapes (beaucoup plus courante) dans laquelle le noyau
de carbone-12 excité émet d'abord une seule particule alpha pour créer du
béryllium-8, qui se décompose ensuite en deux autres alphas. L'autre voie est
une étape unique dans laquelle le noyau original se décompose simultanément en
trois particules alpha. La raison pour cela est que différents modèles de
l'état de Hoyle prédisent des valeurs différentes pour le taux de branchement.
La mesure du rapport de ramification implique la création de
plusieurs états de Hoyle en tirant un faisceau de noyaux sur une cible
appropriée et en mesurant les particules alpha émises. La distinction entre les
processus en une étape et en deux étapes repose sur la possibilité de
déterminer l'énergie et l'orientation relatives des diverses particules alpha.
Cependant, les groupes effectuant ces mesures par le passé ont dû faire face à des effets de
fond causés par le cas de deux particules d'une énergie similaire
frappant le même détecteur de silicium.
Les recherches les plus récentes permettent de surmonter ce
problème grâce à un arrangement de détecteurs soigneusement choisis qui
garantit que chaque particule alpha issue de la décomposition du carbone 12
frappe un morceau de silicium séparé. Robin Smith et ses collègues de
l'Université de Birmingham au Royaume-Uni ont tiré des noyaux d'hélium sur une
cible de carbone tandis que Daniele Dell'Aquila de l'Université de Naples et
son équipe ont employé une réaction impliquant l'azote et le deutérium. Les
deux sont arrivés à des résultats très similaires: c’est à dire établir, respectivement, que le
processus en une seule étape ne se produit pas plus de 0,047% / 0,043% du
temps. Cela représente une amélioration de plus de quatre fois la sensibilité par
rapport au meilleur des résultats
précédents, ce qui a mis une limite
supérieure à l'occurrence de 0,2% en une seule étape.
"Il est certainement encourageant qu'ils obtiennent
fondamentalement le même résultat", explique David Jenkins de l'Université
de York au Royaume-Uni. "Cela réfute certains travaux expérimentaux récents
(vraisemblablement erronés) qui avaient identifié comme substantielle la
branche pour le mode de désintégration à trois alpha."
Smith et ses collègues affirment que les nouveaux résultats
commencent à faire pression sur l'idée que l'état de Hoyle est entièrement
constitué de grappes de particules alpha. Il note que les théoriciens qui ont
effectué des calculs complets à trois corps de la décroissance de l'état de
Hoyle en 2014 sont arrivés à une valeur pour le processus en une seule étape de
0,1%, alors qu'un modèle supposant que les trois particules alpha se condensent
en l'équivalent nucléaire d'un condensat Bose -Einstein arrive à un résultat semblable ,environ 0,06%. "Nous
croyons que les données fournissent de bonnes preuves que l'interprétation de
l'état de Hoyle est problématique", dit-il.
Dell'Aquila ajoute que l'amélioration des contraintes sur le
processus de désintégration en une étape peut aider à affiner notre
compréhension de la façon dont les éléments sont fabriqués dans les étoiles. Il
fait remarquer que dans les étoiles qui brûlent de l'hélium à basse
température, l'existence du processus en une seule étape affecte de manière significative la
production de carbone-12.
Les deux groupes disent qu'ils ont poussé la sensibilité des
détecteurs à semi-conducteurs conventionnels à leur limite, et qu'une
amélioration supplémentaire nécessitera le développement de détecteurs avec cibles
de gaz. Smith explique que les nouveaux détecteurs imageraient les trajectoires
des particules alpha lors de leur séparation pendant la désintégration,
permettant ainsi "l'identification sans ambiguïté d'une désintégration
directe basée sur leurs directions relatives".
Les deux ensembles de résultats sont décrits dans des
articles distincts dans Physical Review Letters.
MON COMMENTAIRE
Le résultat provient selon moi de l’astuce de labo permettant à chaque alpha de trouver son détecteur propre
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Des ondes topologiques se produisent-elles dans les océans?
10 oct. 2017
Do topological waves occur in the oceans?
Oct 10, 2017
Un graphique montrant une onde de Kelvin se propageant
d'ouest en est
D'après des physiciens français et américains, des courants
d'eau topologiques pourraient exister dans les océans terrestres. L'équipe a
établi un lien entre la physique qui confère aux isolants topologiques leurs
propriétés inhabituelles et les ondes Kelvin et Yanai - qui existent dans les
océans et l'atmosphère et sont impliquées dans les variations régulières du
système climatique de la Terre.
Les isolants topologiques sont des matériaux isolants qui ne
portent les courants électriques que sur
leurs surfaces. Ils ont captivé l'imagination des physiciens de la matière
condensée, car ils offrent des moyens de créer des matériaux dotés de
propriétés nouvelles et potentiellement utiles.
Dans les isolateurs topologiques, la topologie des bandes
d'électrons provoque le déplacement des électrons de spin opposé dans des
directions opposées, ce qui entraîne des mouvements circulaires. L'effet est
étroitement lié à l'effet Hall quantique, qui se produit dans les matériaux
conducteurs 2D tels que les films minces en présence d'un champ magnétique. Le
mouvement circulaire qui en résulte ne permet aucun flux net de courant à
travers le matériau - sauf sur les bords, où les orbites circulaires sont
tronquées de telle manière que les
électrons peuvent se déplacer autour de la surface en une série d'arcs.
Parce que ces mouvements proviennent de caractéristiques
purement topologiques de la structure électronique, ils ne peuvent pas
facilement être perturbés par des défauts: ils sont dits "protégés
topologiquement". Les isolants topologiques sont l'un des exemples les
plus étudiés de ce que l'on appelle les matériaux quantiques, dont le
comportement électronique ou magnétique est fortement régi par des effets
quantiques-mécaniques. Certains de ces matériaux pourraient trouver des
applications dans, par exemple, l'informatique quantique - mais leur principale
attraction pour les physiciens est qu'ils unifient tout un tas de concepts
restés auparavant disparates.
Selon Pierre Delplace et Antoine Venaille de l'École normale
supérieure de Lyon en France, cette unité va au-delà de la science des
matériaux, en collaboration avec Brad Marston de l'Université Brown de Rhode
Island. Ils disent que deux types de flux ondulatoires reconnus depuis longtemps dans l'atmosphère et
les océans, appelés ondes Kelvin et Yanai, ont également une origine
topologique, qui est mathématiquement analogue à ces états conducteurs de surface des isolants
topologiques.
Cette équivalence se manifeste dans les mathématiques du
problème, disent les chercheurs. En physique de la matière condensée, les états
d'électrons sont décrits par l'équation de Schrödinger en forme d'onde. Les
orbites sont créées par le fait qu'un champ magnétique appliqué rompt la
symétrie d'inversion du temps: les solutions à l'équation de Schrödinger
changent lorsque le temps t est remplacé par -t. Les flux d'électrons de
surface résultent alors d'une rupture de la symétrie de translation qui se
produit à la surface.
Toutes ces caractéristiques, disent Delplace et ses
collègues, se trouvent imitées dans les
équations d'onde pour les flux dans l'atmosphère et les océans, où la force de
Coriolis - une force efficace due à la rotation de la Terre qui circule à
droite et à gauche dans les hémisphères nord et sud , respectivement - joue le
rôle d'un champ magnétique. Ces équations produisent des ondes piégées près de
l'équateur, toujours obligées de se déplacer vers l'est, connues sous le nom de
ondes Kelvin équatorial et de ondes mixtes de Rossby-gravité ( ou Yanai).
D'autres ondes de ce type existent également, comme les
ondes de Rossby pures de longue période, mais celles-ci ne sont pas
"protégées topologiquement" de la même manière. Les ondes de Kelvin
et Rossby peuvent agir comme des précurseurs de l'oscillation océanique-atmosphérique
quasi-périodique appelée El Niño Southern Oscillation, qui produit des effets
climatiques significatifs tels que la sécheresse ou des précipitations élevées
dans certaines régions équatoriales.
"La [théorie des] ondes équatoriales a été élaborée
dans les années 1960 mais leur origine topologique est passée inaperçue jusqu'à
présent", explique Marston. Au lieu de cela, dit-il, les ondes ont été
considérées simplement comme des solutions aux équations d'eaux peu profondes
près de l'équateur - "mais elles semblaient encore un peu
mystérieuses".
Les chercheurs ont découvert la connexion, dit Marston, à
travers «l'intuition de la physique sous-jacente» - en particulier dans la
façon dont les champs magnétiques et la rotation planétaire rompent la symétrie
d'inversion temporelle. Il est évident qu’ une fois que vous vous êtes mis au diapason des concepts d'isolateurs
topologiques, dit-il - tous les candidats récents pour un poste de physique de
la matière condensée à Brown ont immédiatement fait le lien lorsque ils ont vu les équations pour les ondes Kelvin dans un
ancien manuel de géophysique.
La résilience de ces ondes équatoriales a été interprétée
comme une conséquence de l'inadéquation de la dispersion (longueur
d'onde-fréquence) entre les ondes équatoriales et d'autres ondes, explique
Marston - "mais maintenant nous pouvons voir que la discordance est
garantie par la topologie. " Il ajoute: "Je pense que les véritables
conséquences de la topologie restent à découvrir, de même que de nouveaux types
d'ondes d'origine topologique."
Le scientifique de l'atmosphère Isaac Held du Laboratoire de
dynamique des fluides géophysiques de l'Administration nationale
océanographique et aéronautique des États-Unis à l'Université de Princeton
convient qu'il s'agit d'une nouvelle interprétation de ces ondes équatoriales.
Il pense que la nouvelle perspective pourrait aider à comprendre pourquoi elles
sont si robustes, par exemple face à un bruit aléatoire dans les écoulements
atmosphériques ou océaniques.
«C'est un travail vraiment passionnant», explique le
physicien Sebastian Huber de l'Ecole polytechnique fédérale de Zurich (ETH),
qui a déjà fait la démonstration d'un analogue mécanique d'isolateurs
topologiques utilisant une série de petits pendules. Il dit que cela reflète la
«mentalité topologique» que les physiciens ont acquise ces dernières années.
"Beaucoup de gens me disent que notre propre configuration mécanique a
ouvert les yeux sur le fait que la topologie de la bande [de vibration] n'est
pas liée à la mécanique quantique mais plutôt à la physique des ondes en
général."
La recherche est décrite dans Science.
A propos de l'auteur
Philip Ball est un écrivain scientifique basé au Royaume-Uni
Mon commentaire
:Qui a dit : « La topologie, une science ? Mais
ce n’est qu’un cauchemar de plombier mathématicien ,voire de logicien !!! »
Et bien voilà qu’ elle se rend
utile aux physiciens
climatologues et océanographes !!!!
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La polarisation de la lumière modulée rapidement par les
nanotiges d'or
6 oct. 2017
Light polarization modulated rapidly by gold nanorods
Oct 6, 2017
Illustration de la façon dont un réseau de nanotigess d'or
peut décaler la polarisation d'une impulsion lumineuse
Une méthode nouvelle et plus rapide de modulation de la
polarisation des impulsions lumineuses a été dévoilée par des chercheurs
britanniques. La technique utilise une seconde impulsion laser pour contrôler
la polarisation et pourrait être utilisée dans une gamme d'applications
pratiques comprenant le développement pharmaceutique.
Les dispositifs qui modulent la polarisation d'un signal
optique jouent des rôles importants dans une gamme de technologies. La capacité
d’usage d'une fibre optique peut être augmentée, par exemple, en codant des
informations dans différents états de polarisation de la lumière qui sont
ensuite transmis simultanément. Aujourd'hui, la vitesse à laquelle ce
multiplexage peut être atteint est limitée par la rapidité avec laquelle la
polarisation peut être modulée.
La plupart des modulateurs actifs disponibles aujourd'hui
sont des dispositifs optiques et électroniques hybrides, ce qui signifie qu'ils
sont intrinsèquement lents. Certaines métasurfaces optiques ultraminces peuvent
modifier de manière significative la polarisation, mais il s'agit de
dispositifs passifs qui ne sont pas adaptés à la fabrication d'un modulateur de
polarisation actif.
Dans la nouvelle étude, Luke Nicholls et ses collègues du
King's College de Londres ont utilisé une métasurface comprenant une grille de
nanotiges d'or de 400 nm de long dans une matrice d'oxyde d'aluminium. Cette
structure supporte à la fois une onde lumineuse ordinaire, dans laquelle le
champ électrique oscille perpendiculairement aux axes des nanotiges, et une
onde extraordinaire, dans laquelle
l’onde oscille le long des nanotiges. Les indices de réfraction du
matériau pour ces deux ondes peuvent être très différents.
Pour l'onde ordinaire, l'indice de réfraction du matériau
reste presque inchangé par la fréquence. Pour l'onde extraordinaire, cependant,
l'indice de réfraction change non seulement sa magnitude mais même son signe.
Lorsque la fréquence de la lumière descend en dessous de la fréquence
d'oscillation naturelle des électrons dans les nanotiges d'or (la fréquence du
plasma effectif), l'indice de réfraction devient négatif. Cela signifie que le
métamatériau inverse la phase de l'onde extraordinaire: «Vous mettez l'onde
extraordinaire en retard de phase par
rapport à l'onde ordinaire», dit Nicholls, «ce qui inverse l'état de
polarisation».
Il serait impraticable dans les télécommunications, et
impossible dans de nombreuses applications de détection, de changer constamment
la fréquence du signal pour obtenir une polarisation différente. Cependant,
l'équipe a extrait un autre tour de ses manches. "Lorsque vous faites briller
une intense impulsion laser sur le matériau, il est absorbé par le gaz
d'électrons du matériau", explique Nicholls, "et heureusement pour
nous, l'indice de réfraction est étroitement lié à l'énergie des
électrons."
La fréquence efficace du plasma peut donc être décalée vers
des fréquences plus basses après une
brève "impulsion de commande" immédiatement avant l'impulsion du
signal. La fréquence du signal peut donc être inférieure à la fréquence plasma
effective - ce qui signifie que sa polarisation est inversée - dans des circonstances
normales, mais au-dessus de la fréquence plasma efficace - sa polarisation
n'est pas affectée - si le métamatériau vient d'être touché par l'impulsion de
contrôle. L'équipe a également montré qu'une impulsion peut effectuer à la fois
les fonctions de contrôle et de signal: le front de l'impulsion contrôle la
façon dont la polarisation du reste de l'impulsion est affectée, une impulsion
plus intense étant tournée plus fortement.
"Plus généralement, il y a une résonance dans une
composante du champ transmis (l'onde extraordinaire) et aucune résonance pour
la composante perpendiculaire (onde ordinaire)", explique Nicholls. Comme
pour toute résonance, il existe un
déphasage entre les fréquences inférieures et supérieures à la résonance, ce
qui permet de contrôler la polarisation de sortie d'un faisceau de signal à une
longueur d'onde donnée en modifiant la position relative de la résonance par
rapport à l'impulsion de contrôle en
induisant un déphasage dans la
composante extraordinaire de l'impulsion du signal transmis. "
Les chercheurs ont modulé la polarisation des ondes à des
fréquences allant jusqu'à 300 GHz - avec la technologie actuelle la plus
rapide c’est 40 GHz. Il est peut-être possible d'aller
encore plus vite: «Pour le moment, notre vitesse est limitée par la relaxation
des électrons à l'état fondamental», explique Nicholls. «Nous cherchons des
moyens de mieux comprendre ce processus et de l'accélérer. "
En principe, une rotation plus rapide de la polarisation de
la lumière pourrait augmenter le nombre de signaux comprimés dans une seule
fibre optique. Cependant, les chercheurs croient que la technique pourrait
trouver encore d'autres utilisations. Il
est souvent crucial que les molécules pharmaceutiques soient sous forme
gauchère parce que les formes droitières peuvent être inefficaces ou même
toxiques. La proportion de molécules dans les formes gauches et droites peut
être mesurée en analysant comment une solution affecte différentes
polarisations de la lumière, c’est une
technique appelée polarimétrie.
"S’ils s peuvent changer la polarisation sur un
processus chimique en train de se dérouler
les développeurs de médicaments pourront comprendre quels processus
mènent à des mauvaises orientations et potentiellement les éliminer. ", dit
Nicholls
Andrea Alù de l'Université du Texas à Austin, qui n'a pas
participé à la recherche, la décrit comme "une amélioration
significative" bien que "pas nécessairement surprenante": il
note qu'un récent article de chercheurs américains dans le même journal décrit
des effets similaires avec ondes réfléchies. Nicholls dit que ce document a été
soumis après celui de l'article du groupe .
Alù souligne que la résonance de plasma efficace est un
maximum de dissipation d'énergie et donc de perte de signal. Cela pourrait
rendre le processus intenable dans les télécommunications, mais il croit que la
configuration reste prometteuse
ailleurs: «Si vous voulez faire une détection chimique ultrarapide , ce qui
n'est pas possible actuellement, dit-il, la perte n'est pas nécessairement la
première mesure "
La recherche est décrite dans Nature Photonics
About the
authorTim Wogan is a science writer based in the UK
Mon commentaire
Procédé qui me semble astucieux et utile
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Des physiciens
emballent un Nobel de chimie pour la microscopie cryogénique
4 oct. 2017
Physicists bag chemistry Nobel for cryo-electron microscopy
Oct 4, 2017
Technique revolutionized how biological molecules are imaged
Image de microscope cryo-électronique composite
Le Prix Nobel de Chimie 2017 a été décerné à Jacques
Dubochet, Joachim Frank et Richard Henderson "pour avoir développé la
microscopie cryo-électronique pour la détermination de structure à haute
résolution de biomolécules en solution". Le prix d'une valeur de 9
millions de couronnes suédoises (£ 823 000) sera remis lors d'une cérémonie le
10 décembre à Stockholm. Il est partagé à parts égales par les trois lauréats,
qui sont tous des physiciens de formation.
La microscopie cryogénique contourne deux défis majeurs lors
de l'étude de grandes molécules biologiques avec un microscope électronique à
transmission. Tout d'abord, les molécules existent naturellement dans l'eau,
dont la vapeur détruit le vide nécessaire au fonctionnement du microscope. Les
molécules pourraient être séchées avant d'être examinées, mais cela peut
altérer leur structure au point que l'étude devienne inutile. Le deuxième défi est que le faisceau
d'électrons réchauffe et détruit les
molécules biologiques délicates. Cela pouvait être résolu en utilisant un
faisceau plus faible, mais cela entraînait des images plus floues.
Henderson a montré au début des années 1970 qu'une protéine
appelée bactériorhodopsine peut être étudiée sous un microscope électronique si
les molécules sont naturellement liées à l'intérieur d'une membrane biologique.
Cela garde les molécules humides et empêche l'eau de s'évaporer dans le vide.
Pour minimiser la destruction par chauffage, Henderson a exploité le fait que
les molécules de bactériorhodopsine dans la membrane sont disposées dans un
réseau régulier, ce qui lui permet d'utiliser un faible faisceau d'électrons
pour construire un schéma de diffraction. Il a obtenu la structure de la
protéine en 1975.
Au fur et à mesure de l'amélioration des microscopes
électroniques, Henderson a pu en déduire la structure à l'échelle atomique en
1990, montrant qu'il était possible de réaliser des études de haute qualité sur
des molécules biologiques à l'aide d'un microscope électronique.
Travaillant indépendamment en 1975, Frank a dévoilé un
algorithme d'analyse d'image pour fusionner plusieurs images 2D floues à partir
d'un microscope électronique et pour
créer une image 3D d'une molécule. Cela implique de prendre des milliers
d'images de molécules orientées au hasard et de les trier en groupes d'images
similaires. Chaque groupe est ensuite traité pour créer un ensemble d'images
beaucoup plus nettes. Les relations spatiales entre les groupes sont ensuite
traitées c onduisant à l'assemblage d'une image 3D à haute résolution.
Il s'est avéré que l'algorithme de Frank pouvait être
directement appliqué à une technique d'imagerie de molécules biologiques
développée de manière indépendante en 1982 par Dubochet. Cela implique de
disperser les molécules dans un mince film d'eau suspendu dans les interstices
d'une maille. L'eau est ensuite congelée rapidement en plongeant la maille dans
de l'éthane liquide à -190 ° C. La congélation rapide signifie que les
molécules d'eau dans la glace n'ont pas une structure cristalline régulière,
mais ressemblent à un verre. Cette "vitrification" de l'eau est
cruciale car elle ne provoque pas de diffraction d'électrons et permet de
prendre des images - bien que floues.
En 1991, Frank a combiné la technique de vitrification de
Dubochet avec son algorithme d'imagerie pour obtenir des images de ribosomes.
Au fur et à mesure que les microscopes électroniques se sont améliorés au cours
des années intermédiaires (en partie grâce aux efforts de Henderson), la microscopie
cryo-électronique est arrivée maintenant
à représenter des molécules biologiques
au niveau atomique.
Né en Écosse en 1945, Henderson a fait un BSc en physique à
l'Université d'Edimbourg avant de terminer un doctorat en biologie moléculaire
à l'Université de Cambridge, Royaume-Uni, en 1969. Après un séjour de trois ans
à l'Université Yale, il rejoint la Recherche médicale. Laboratoire de biologie
moléculaire du Conseil, également à Cambridge, où il est chef de groupe.
Dubochet est né en 1942 en Suisse et est basé à l'Université
de Lausanne, où il est professeur honoraire de biophysique. Il a étudié la
physique et l'ingénierie à l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne avant
d'obtenir un doctorat en biophysique en 1973 à l'Université de Genève et à
l'Université de Bâle.
Frank est né en 1940 en Allemagne et a étudié la physique à
l'Université de Fribourg et à l'Université de Munich. Il a terminé un doctorat
en microscopie électronique en 1970 à l'Université technique de Munich. Il a
ensuite travaillé dans plusieurs universités et laboratoires de recherche dans
le monde avant de rejoindre l'Université de Columbia en tant que professeur de
biochimie et de biophysique moléculaire et de sciences biologiques en 2008.
A propos de l'auteur
Hamish Johnston est rédacteur en chef de physicsworld.co
Mon commentaire
Je ne vais pas me permettre de critiquer un prix NOBEL DE CHIMIE aussi
utile !!!!
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Croissance des trous noirs accélérée par le gaz supersonique
Black-hole growth accelerated by supersonic gas
Oct 2, 2017 5 comments
2 oct. 2017 5 commentaires
Simulation de la distribution de densité de gaz autour d'une
protoétoile nouvelle-née ( protostar)
Des courants supersoniques de gaz auraient pu déclencher la
naissance de trous noirs supermassifs dans l'univers primitif. C'est
l'implication des simulations hydrodynamiques effectuées par Shingo Hirano de
l'Université du Texas à Austin et ses collègues. La recherche pourrait
expliquer comment d'énormes trous noirs ont pu se former lorsque l'univers
avait moins d'un milliard d'années.
Les trous noirs supermassifs ont des masses de millions à
des milliards de fois celles du Soleil et se cachent au centre des grandes
galaxies . Alors que ces mastodontes ont mis des milliards d'années à se
former, les astronomes savent aussi que les trous noirs supermassifs ont
alimenté les quasars déjà moins d'un milliard d'années après le Big Bang. Ces
observations précoces sont un mystère car les astronomes n'ont pas une bonne explication
de la façon dont de tels objets énormes auraient pu se former si rapidement
dans l'univers primitif.
Une hypothèse de premier plan est que d'énormes nuages de
gaz se sont effondrés sous la force de leur propre gravité, se condensant
directement dans un trou noir. Cependant, les scientifiques ont eu du mal à
modéliser la quantité de gaz pouvant tomber dans le nuage pour accumuler sa
masse avant que le nuage ne se fragmente pour former des étoiles. Les travaux de Hirano et ses collègues
suggèrent que les flux de gaz à grande vitesse peuvent rapidement accumuler la
masse d'un nuage de gaz, facilitant son effondrement.
Les flux ont leurs
origines à l'époque de la recombinaison, qui s'est produite environ 378 000 ans
après le Big Bang. C'est à ce moment-là que le rayonnement de fond diffus
cosmologique a été émis et que la matière baryonique et le rayonnement se sont
découplés, permettant aux photons de circuler librement à travers l'univers. Le
découplage fixe la matière baryonique telle que le gaz en mouvement, mais pas
la matière noire (qui n'interagit pas avec la lumière). Par conséquent, la
matière ordinaire a adopté des mouvements de flux relatifs aux alentours de la matière noire, à l'intérieur de laquelle
les nuages de gaz se sont rassemblés et les premières étoiles et galaxies se
sont formées.
Dans ses simulations, l'équipe de Hirano montre que les
mouvements de flux empêchaient initialement le gaz de se déposer dans les
auréoles de la matière noire. Cependant, les halos devinrent rapidement plus
massifs et, environ 100 millions d'années après le Big Bang, le halo de la
matière noire de la simulation de l'équipe atteignit 22 millions de masses
solaires, la gravité étant maintenant assez forte pour piéger même le gaz en
mouvement rapide. . Des milliers de masses solaires d'hydrogène primordial
pouvaient maintenant se rassembler à l'intérieur du halo et, en son centre, une
protoétoile naissait, entourée d'une enveloppe massive et dense.
Normalement, ces protostars autorégulent leur croissance en
émettant des radiations qui neutralisent
cet agglomérat du gaz et l'emportent. Cette rétroaction
devient plus forte à mesure que la masse de la protoétoile augmente jusqu'à dépasser la limite
d'Eddington et que sa luminosité devient trop grande. C'était une autre pierre
d'achoppement sur la route pour expliquer comment assez de masse
arriverait à se rassembler pour former les premiers trous
noirs.
Toutefois, explique Hirano, "notre protostar est
entouré d'une enveloppe dense de gaz et croît rapidement grâce à un gaz
efficace, et cet agglomérat rapide peut
changer la structure stellaire et désactiver le mécanisme d'autorégulation."
Au-dessus d'un taux d'accrétion de 0,04 masse solaire par
an, l'enveloppe stellaire commence à se gonfler, laissant la région intérieure
du nuage refroidir à moins de 6000 K. Sous cette température, la production de
lumière ultraviolette tombe et le mécanisme d'autorégulation est trop faible
pour arrêter l'accrétion du gaz. En l'espace de deux millénaires, le noyau du
protostar central atteint 50 masses solaires, tandis que son enveloppe étendue
de gaz aggloméré se gonfle pour atteindre 34 000 masses solaires énormes. C'est
à ce moment que la gravité submerge tous les autres processus et le nuage
entier - protostar et tout avec - s'effondre dans un trou noir.
L'effondrement du nuage dans la simulation de Hirano crée un
trou noir de masse intermédiaire, qui peut ensuite atteindre un statut
supermassif à travers une variété de processus, y compris des fusions avec
d'autres trous noirs et l'accrétion de plus de gaz encore . Pendant ce temps,
le halo de la matière noire autour du trou noir continue lui à s'accumuler, fournissant l'échafaudage pour
ce qui va devenir une galaxie.
Bien que le modèle fonctionne en théorie, ce n'est pas la
seule explication plausible de la façon dont les trous noirs de masse
intermédiaire pourraient se former à partir de l'effondrement direct des nuages
de gaz. Par exemple, dans un travail publié en 2016, une équipe dirigée par
John Regan de l'Université de Durham a fait ses propres simulations indiquant
que les nuages de gaz primordiaux pourraient contourner la rétroaction stellaire
et inhiber la naissance des étoiles, donnant aux nuages le temps de croître
en masse. chauffage à partir du rayonnement de fond et des étoiles voisines.
La naissance de ces trous noirs pourrait potentiellement
être perçue par la prochaine génération de détecteurs d'ondes
gravitationnelles. "Par exemple, un signal d'onde gravitationnelle causé
par la coalescence de trous noirs intermédiaires pourrait être détecté par
eLISA," a lancer en 2034
research is
described in Science.
About the
author :Keith Cooper is a science writer based in the UK
MON COMMENTAIRE
Calculs interessants …I l reste a
savoir si ces trous noirs
centrogalactiques très anciens vont se signaler par des ondes
gravitationnelles de type «
reliques » ou se manifester par d
autres coalescences ultérieures …..
A SUIVRE
