Les découvertes de l'année
Réfléchir sur la Lune
Grâce à un miroir liquide capable de résister aux intenses froids lunaires, notre vision de l’Univers pourrait bien changer radicalement.
Par Joël Leblanc
Un observatoire astronomique géant sur la Lune! Ermanno Borra n’est pas le seul à en rêver. À l’aide d’un de ses étudiants, il vient de surmonter le principal obstacle empêchant sa conception. «Nous avons dû nous faire un peu chimistes pour doter ce télescope d’un gigantesque miroir liquide», explique le physicien, professeur à l’Université Laval.
Un miroir liquide? Curieux concept imaginé en 1850 par l’astronome italien Ernesto Capocci.
L’élément le plus important d’un télescope est le miroir concave qui fait converger la lumière vers son foyer. L’idée de Capocci fut de remplacer ce miroir par du mercure dans une assiette en rotation. En tournant, Newton l’a démontré, tout liquide prend naturellement une forme parabolique, ce qui est exactement la configuration recherchée pour le miroir de nombreux télescopes.
À l’époque, l’idée semblait un peu saugrenue. Mais Ermanno Borra l’a reprise au vol il y a plusieurs années et en a fait sa spécialité.
Alors que la NASA a annoncé son retour sur la Lune en 2020, l’observation de l’Univers profond grâce à un grand télescope lunaire a de quoi séduire l’agence spatiale. «Les miroirs en verre de plusieurs mètres de diamètre des grands observatoires coûtent très cher à produire, explique Ermanno Borra. Il faut passer des semaines à les polir pour leur conférer les qualités optiques souhaitées. Avec les miroirs liquides, cette étape est éliminée, puisque les liquides sont naturellement lisses.» Et, alors qu’il est plutôt malaisé d’envoyer une grande pièce de verre sur la Lune, un liquide peut voyager sans problème dans des réservoirs.
De plus, les grands miroirs de verre sont très lourds et la gravité tend à les déformer. Les miroirs liquides, eux, sont plus légers et, à l’inverse, ils utilisent la gravité pour garder leur forme.
Il s’en est pourtant fallu de peu que l’idée ne meure dans l’œuf. «Sur la Lune, la température peut descendre jusqu’à -230 °C, explique le chercheur. Un miroir fait de mercure figerait, puisque le point de fusion de cet élément est de -39 °C. Nous devions donc trouver une substance de remplacement capable de réfléchir la lumière aussi bien que le mercure, mais qui ne gèle pas malgré le froid extrême.»
C’est un étudiant à la maîtrise, Omar Seddiki, qui a trouvé la solution. «Omar a cheché longtemps avant de s’intéresser aux liquides ioniques.» Cette classe de composés, explorée depuis peu par les chimistes, rassemble les sels liquides à température ambiante. C’est l’un de ces sels, le ECOENG 212, que l’étudiant physicien a utilisé pour mener ses tests.
«Dans une cloche à vide, raconte M. Borra, Omar a chauffé du chrome pur jusqu’à ce qu’il puisse être vaporisé. D’invisibles nanogouttelettes de chrome sont alors retombées à la surface du liquide pour y former une mince couche flottante de cinq nanomètres (il y a un million de nanomètres dans un millimètre). Puis il a répété l’opération avec de l’argent pur pour superposer une seconde couche de 30 nanomètres.» Il en résulte une délicate peau flottante, 2 500 fois plus fine qu’un cheveu et qui présente la même réflectivité que le mercure. Cette réussite inespérée a valu à ses auteurs une publication dans la prestigieuse revue Nature, le 21 juin dernier.
Le point de fusion de ce nouveau liquide réfléchissant se situe à -98 °C. «Ce ne sont pas encore les grands froids lunaires, admet Ermanno Borra, mais on a prouvé que ce type de liquide peut faire flotter une couche d’argent réfléchissante de façon stable pendant plusieurs mois. Comme l’exploration des liquides ioniques commence à peine et qu’il y en a des millions de millions qui pourraient potentiellement être créés, on en trouvera assurément un présentant le point de fusion adéquat.» Les liquides ioniques ont une autre particularité intéressante: ils ne s’évaporent pratiquement pas. Un avantage indéniable dans le vide sidéral où la plupart se dissipent en un clin d’œil.
«Une fois le bon liquide trouvé, s’enthousiasme le physicien, on pourra construire un observatoire sur la Lune, puis l’envoyer dans des bouteilles et le verser dans la cuve qu’on mettra en rotation.» Un astronaute vaporisera l’argent qui se déposera sur le fluide pour en faire instantanément un miroir parfait qu’on pourra utiliser pour scruter les limites de l’Univers comme encore personne n’a jamais pu le faire.
Mais puisque la Lune est si froide, pourquoi s’acharne-t-on à vouloir y installer un observatoire? Pour y observer les rayons infrarouges. Car contrairement à la lumière visible, il faut un miroir justement très froid pour voir les rayons infrarouges. Or, on ne peut négliger l’étude de ces rayons lorsqu’on s’intéresse aux portions éloignées de l’Univers, car son expansion cause des phénomènes optiques qui transforment la lumière visible en infrarouges. «Tout corps un peu tiède émet des infrarouges, précise le physicien. Le miroir du télescope doit donc être très froid pour éviter qu’il n’en émette et ne “salisse” l’image qu’il réfléchit.» C’est pour cette raison que les télescopes spécialisés dans l’observation des rayons infrarouges, comme Spitzer, le cousin de Hubble, sont refroidis par cryogénie.
La Lune est aussi l’endroit rêvé pour s’affranchir de l’atmosphère. Sur Terre, les kilomètres de gaz au dessus de nos têtes atténuent l’intensité de la lumière, déforment les images et bloquent carrément certains types de rayons.
Plus son miroir est grand, plus un télescope est puissant. Les meilleurs observatoires terrestres sont munis de miroirs qui dépassent à peine 11 m. Sur la Lune, la gravité est six fois moindre que sur notre planète; on pourra donc y construire une très grande cuve rotative de forme parabolique qui pèsera six fois moins lourd que sur Terre et qu’on remplira d’une très mince couche de liquide. «Avec un miroir primaire de 20 m à 100 m de diamètre, on obtiendra des images 100 à 1 000 fois plus précises que celles des plus puissants observatoires, incluant le James Webb Space Telescope, le futur successeur de Hubble.»
Par Joël Leblanc
Un observatoire astronomique géant sur la Lune! Ermanno Borra n’est pas le seul à en rêver. À l’aide d’un de ses étudiants, il vient de surmonter le principal obstacle empêchant sa conception. «Nous avons dû nous faire un peu chimistes pour doter ce télescope d’un gigantesque miroir liquide», explique le physicien, professeur à l’Université Laval.
Un miroir liquide? Curieux concept imaginé en 1850 par l’astronome italien Ernesto Capocci.
L’élément le plus important d’un télescope est le miroir concave qui fait converger la lumière vers son foyer. L’idée de Capocci fut de remplacer ce miroir par du mercure dans une assiette en rotation. En tournant, Newton l’a démontré, tout liquide prend naturellement une forme parabolique, ce qui est exactement la configuration recherchée pour le miroir de nombreux télescopes.
À l’époque, l’idée semblait un peu saugrenue. Mais Ermanno Borra l’a reprise au vol il y a plusieurs années et en a fait sa spécialité.
Alors que la NASA a annoncé son retour sur la Lune en 2020, l’observation de l’Univers profond grâce à un grand télescope lunaire a de quoi séduire l’agence spatiale. «Les miroirs en verre de plusieurs mètres de diamètre des grands observatoires coûtent très cher à produire, explique Ermanno Borra. Il faut passer des semaines à les polir pour leur conférer les qualités optiques souhaitées. Avec les miroirs liquides, cette étape est éliminée, puisque les liquides sont naturellement lisses.» Et, alors qu’il est plutôt malaisé d’envoyer une grande pièce de verre sur la Lune, un liquide peut voyager sans problème dans des réservoirs.
De plus, les grands miroirs de verre sont très lourds et la gravité tend à les déformer. Les miroirs liquides, eux, sont plus légers et, à l’inverse, ils utilisent la gravité pour garder leur forme.
Il s’en est pourtant fallu de peu que l’idée ne meure dans l’œuf. «Sur la Lune, la température peut descendre jusqu’à -230 °C, explique le chercheur. Un miroir fait de mercure figerait, puisque le point de fusion de cet élément est de -39 °C. Nous devions donc trouver une substance de remplacement capable de réfléchir la lumière aussi bien que le mercure, mais qui ne gèle pas malgré le froid extrême.»
C’est un étudiant à la maîtrise, Omar Seddiki, qui a trouvé la solution. «Omar a cheché longtemps avant de s’intéresser aux liquides ioniques.» Cette classe de composés, explorée depuis peu par les chimistes, rassemble les sels liquides à température ambiante. C’est l’un de ces sels, le ECOENG 212, que l’étudiant physicien a utilisé pour mener ses tests.
«Dans une cloche à vide, raconte M. Borra, Omar a chauffé du chrome pur jusqu’à ce qu’il puisse être vaporisé. D’invisibles nanogouttelettes de chrome sont alors retombées à la surface du liquide pour y former une mince couche flottante de cinq nanomètres (il y a un million de nanomètres dans un millimètre). Puis il a répété l’opération avec de l’argent pur pour superposer une seconde couche de 30 nanomètres.» Il en résulte une délicate peau flottante, 2 500 fois plus fine qu’un cheveu et qui présente la même réflectivité que le mercure. Cette réussite inespérée a valu à ses auteurs une publication dans la prestigieuse revue Nature, le 21 juin dernier.
Le point de fusion de ce nouveau liquide réfléchissant se situe à -98 °C. «Ce ne sont pas encore les grands froids lunaires, admet Ermanno Borra, mais on a prouvé que ce type de liquide peut faire flotter une couche d’argent réfléchissante de façon stable pendant plusieurs mois. Comme l’exploration des liquides ioniques commence à peine et qu’il y en a des millions de millions qui pourraient potentiellement être créés, on en trouvera assurément un présentant le point de fusion adéquat.» Les liquides ioniques ont une autre particularité intéressante: ils ne s’évaporent pratiquement pas. Un avantage indéniable dans le vide sidéral où la plupart se dissipent en un clin d’œil.
«Une fois le bon liquide trouvé, s’enthousiasme le physicien, on pourra construire un observatoire sur la Lune, puis l’envoyer dans des bouteilles et le verser dans la cuve qu’on mettra en rotation.» Un astronaute vaporisera l’argent qui se déposera sur le fluide pour en faire instantanément un miroir parfait qu’on pourra utiliser pour scruter les limites de l’Univers comme encore personne n’a jamais pu le faire.
Mais puisque la Lune est si froide, pourquoi s’acharne-t-on à vouloir y installer un observatoire? Pour y observer les rayons infrarouges. Car contrairement à la lumière visible, il faut un miroir justement très froid pour voir les rayons infrarouges. Or, on ne peut négliger l’étude de ces rayons lorsqu’on s’intéresse aux portions éloignées de l’Univers, car son expansion cause des phénomènes optiques qui transforment la lumière visible en infrarouges. «Tout corps un peu tiède émet des infrarouges, précise le physicien. Le miroir du télescope doit donc être très froid pour éviter qu’il n’en émette et ne “salisse” l’image qu’il réfléchit.» C’est pour cette raison que les télescopes spécialisés dans l’observation des rayons infrarouges, comme Spitzer, le cousin de Hubble, sont refroidis par cryogénie.
La Lune est aussi l’endroit rêvé pour s’affranchir de l’atmosphère. Sur Terre, les kilomètres de gaz au dessus de nos têtes atténuent l’intensité de la lumière, déforment les images et bloquent carrément certains types de rayons.
Plus son miroir est grand, plus un télescope est puissant. Les meilleurs observatoires terrestres sont munis de miroirs qui dépassent à peine 11 m. Sur la Lune, la gravité est six fois moindre que sur notre planète; on pourra donc y construire une très grande cuve rotative de forme parabolique qui pèsera six fois moins lourd que sur Terre et qu’on remplira d’une très mince couche de liquide. «Avec un miroir primaire de 20 m à 100 m de diamètre, on obtiendra des images 100 à 1 000 fois plus précises que celles des plus puissants observatoires, incluant le James Webb Space Telescope, le futur successeur de Hubble.»