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On rencontre typiquement les aurores polaires au niveau des pôles de la Terre, mais parfois, ceux-ci peuvent descendre à des latitudes plus basses, y compris de façon exceptionnelle en France métropolitaine.

D’où viennent-elles ? Pourquoi elles donnent ces couleurs ? C’est l’objet de cet article.

Définitions

Bien que l’on parle souvent d’aurores boréales, le terme général est plutôt aurores polaires. Boréale signifie simplement le nord, et les aurores boréales sont donc les seules aurores proches du pôle Nord.

Quand les aurores ont lieu au pôle Sud, on parle des aurores australes.

Quant au terme d’aurore lui-même, il vient du latin aurora, qui signifie briller. Une aurore brille dans le ciel. Le terme désigne également les premières lumières du matin (pour la même raison), et se retrouve aussi dans les racines étymologiques de l’or (aurum, en latin), à nouveau parce que ça brille.

Cela ne nous dit d’où elles viennent quand on les voit dans le ciel.

Origine des aurores

Les aurores sont des phénomènes lumineux provenant de l’interaction entre les molécules de l’atmosphère (azote, oxygène, hydrogène…) et les particules libérées par le Soleil lors des éruptions solaires.

Le Soleil, par son activité thermique et magnétique, souffle en permanence des particules électriquement chargées (protons, électrons) dans toutes les directions. On parle du vent solaire. Il lui arrive d’émettre des bourrasques de particules nettement plus fortes qu’à l’habitude. Cela se produit lorsque l’activité magnétique solaire atteint des pics lors des cycles solaires, tous les 11 ans environ. On parle d’orages magnétiques.

Dans ces cas-là, si la bourrasque se dirige vers la Terre, les particules finissent piégés par le champ magnétique terrestre. Elles sont alors déviées le long des lignes de champ. Or, ces lignes pointent vers les régions polaires, où elles concentrent les particules avant de les envoyer sur la haute atmosphère, entre 80 et 1 000 km environ.

C’est pour cette raison que les aurores sont visibles vers les pôles.

Ce sont ensuite les collisions et les interactions entre ces particules solaires et les particules atmosphériques de la Terre qui produisent de la lumière.

D’où viennent leurs couleurs ? Pourquoi y en a-t-il des différentes ?

L’interaction qui a lieu entre les particules chargées du Soleil et l’atmosphère résulte en une excitation des atomes de l’atmosphère. Lorsque les atomes se désexcitent, cela se traduit par la libération d’un photon de lumière.

Chaque gaz produit ainsi son propre spectre de couleurs en réaction à une excitation extérieure.

C’est le principe des enseignes lumineuses en vogue des années 1950-1960, et faites de tubes néon : le néon produit une couleur orange vif en cas d’excitation, alors que l’hélium produit plutôt du blanc, et le xénon du bleu :

La même chose s’observe dans l’atmosphère. Dans l’atmosphère, on a principalement de l’oxygène (21 %) et de l’azote (78 %). Le reste, moins de 1 % restant, correspond à d’autres gaz (argon, dioxyde de carbone, eau…). Ces gaz sont relativement bien mélangés au niveau sol, mais ce n’est pas forcément le cas en altitude : là, la vitesse thermique des molécules font qu’à certaines altitudes on trouve préférentiellement certains gaz et pas d’autres.

Par conséquent, quand les particules solaires arrivent dans l’atmosphère, en fonction du type de choc (élastique, inélastique…), de la vitesse de l’impact et de la molécule heurtée, la réaction n’est pas la même et la lumière émise lors de la désexcitation est différente également.

Ainsi, quand ces interactions ont lieu entre 120 et 180 km, on observe des lumières vertes et rouges à cause de l’oxygène. Quand les interactions ont lieu à plus basses altitudes, l’azote est majoritaire dans l’atmosphère et l’on observe du bleu, rouge et violet.

Tout ceci doit évidemment également se produire la nuit (sinon la lumière du jour masque le phénomène), et lorsque le ciel est dégagé de nuages. Les projections de particules solaires doivent aussi évidemment être faites en direction de la Terre. Cela fait beaucoup de conditions à réunir et l’ensemble reste donc un phénomène assez rare et spectaculaire.

Quelles conséquences pour nous ?

Les aurores, les phénomènes lumineux n’ont pas de conséquences directes sur nous, si ce n’est qu’elles sont jolies, fascinantes et qu’on aime les regarder. Certaines cultures y associent également des croyances : au Japon par exemple, voir des aurores est le signe d’un mariage heureux.

Ce qui peut avoir une conséquence, ce sont les phénomènes qui donnent naissance aux aurores : les vents solaires. Rappelons que ce sont des particules chargées, et donc d’énormes courants électriques. Ces courants produisent des champs magnétiques qui à leur tour vont induire des surtensions dans toutes les structures conductrices sur Terre, et en particulier dans les lignes haute tension longues distances, provoquant des incidents électriques et des coupures. Ce fut le cas par exemple en 1989 au Canada et aux USA, où 6 millions de personnes furent plongés dans le noir durant plusieurs heures.

Le bombardement de particules chargées lui-même peut affecter ou endommager l’électronique parfois fragile, surtout quand ce dernier est utilisé en altitude (avion, montagne) en raison d’une moins grande épaisseur d’atmosphère protectrice.
Les cartes électroniques des satellites ou des sondes spatiales sont d’ailleurs plus robustes et résistantes à tout ça : la gravure des circuits intégrés y est beaucoup moins fine.

Références et liens

• Les couleurs des aurores boréales | Agence spatiale canadienne
• How a baseless myth about Japanese tourists and the northern lights was born — and still persists - ArcticToday
• La tempête solaire qui a plongé 6 millions de personnes dans le noir

image d’en-tête de Bill Devlin

Dans la vie courante, vous avez sûrement déjà rencontré des petits sachets de dessicant en gel de silicates, aussi appelé silicate synthétique amorphe. On en trouve dans les boîtes de chaussures neuves ou les poches des vêtements dans les magasins, par exemple, mais ses applications vont bien au-delà de ça.

Ils servent à déshumidifier et éviter que l’humidité ambiante ne détruise la marchandise.

Comment ça marche ?

Ces billes de silicates (oxydes et hydroxydes de silicium) sont dures et ne prennent pas forcément de volume lorsqu’ils adsorbent l’humidité. Contrairement à une éponge, ils ne deviennent pas non plus humides au toucher. Leur principe « actif » peut donc sembler un peu mystérieux, surtout si l’on compare aux billes en polymère super-absorbants (« jelly-marble »), qui elles prennent jusqu’à 100 fois leur volume et qui sont humides au toucher.

Les billes en gel de silice sont des silicates, donc essentiellement une structure minérale en dioxyde de silicium. Il s’agit de la même composition chimique que le quartz ou le verre de la vie courante, voire tout simplement du sable. Ce qui change est essentiellement la disposition des molécules, plutôt que la composition.

La particularité du gel de silicate est qu’il est préparé de façon à avoir une structure nano-poreuse. La composition chimique est identique, c’est juste l’agencement mécanique qui diffère.

En l’occurrence, la structure de ce « gel » — qui est tout de même dur et non réellement gélatineux — se présente comme un amas de « globules » de dioxyde de silicium entre lesquels se situent des pores. C’est donc une structure aérée, peu dense. Ce sont ces pores qui adsorbent les molécules d’eau et piègent l’humidité :

Notez bien que l’on parle ici d’adsorption — avec un D — et pas d’absorption, avec un B. La différence est importante.

L’adsorption est un phénomène de surface : les molécules adsorbées se fixent sur la surface de la matière adsorbante, éventuellement sous la forme de plusieurs couches successives, alors que pour l’absorption, le produit absorbé finit dans le volume de la structure absorbante et peut participer à sa cohésion.

Dans ces conditions, si l’on veut que l’eau soit adsorbée en grande quantité, il faut une surface importante. L’efficacité du dioxyde de silicium préparé sous forme de gel de silice en tant que dessicant réside dans sa très grande surface spécifique. C’est le rôle de ces globules et des pores : chaque globule présente une surface qui permet l’adsorption, là où une structure pleine ne présenterait aucune surface utile à l’intérieur.
Le gel de silice présente de cette façon une surface active de l’ordre de 750 à 800 m² par gramme !

On retrouve ce principe dans le charbon végétal (charbon actif) également, qui possède lui aussi une très grande surface spécifique sur lequel peuvent se fixer des impuretés diverses (raison pour laquelle on utilise le charbon végétal comme filtre pour capturer les odeurs et autres molécules étrangères).

Le gel de silice présente lui une grande affinité avec les molécules polaires, typiquement l’eau. Les molécules d’eau qui arrivent en contact avec la surface, finissent piégées par le gel et ne se retrouvent alors plus dans l’air, d’où ses propriétés dessicants.

Que se passe-t-il si l’on mange ces billes ?

En un mot : rien.
Bien que l’on mette ces billes dans des sachets où l’on indique « ne pas avaler » ou « do not eat », le gel de silice reste non toxique, non combustible et non dangereux : il ne s’agit que de sable capable d’adsorber un peu d’eau.

Leur pouvoir d’adsorption reste limité en fonction du volume de gel de silice, ce n’est donc pas non plus ça qui va vous déshydrater de l’intérieur.

Le produit est simplement mis dans un sachet « ne pas manger » car ce n’est pas pour autant comestible. Il s’agit aussi d’éviter toute confusion avec des sachets de condiments, sel ou poivre, que l’on peut trouver dans les restaurants par exemple.

Et les billes bleues ?

Il existe des billes de silices bleues, ou même roses, oranges. Ce sont des billes identiques mais dans lesquelles on a ajouté un colorant dont la couleur est visible quand la bille a adsorbé de l’eau. Dans ce cas, son pouvoir dessicant est terminé et il n’aide plus à assécher l’air. La présence du colorant aide alors à savoir si le dessicant doit être renouvelé ou réactivé.

Historiquement, on utilisait du chlorure de cobalt pour ça : les billes passaient alors de bleu (sec) à rose (hydraté). Il n’est plus utilisé aujourd’hui, car ce produit est toxique voire cancérigène.

Parmi les colorants utilisés aujourd’hui, on peut citer le sulfate d’ammonium et de fer, qui est orange quand il est sec mais incolore ou blanc lorsqu’il est hydraté.

Lorsque l’on détecte que le dessicant est hydraté, il convient alors de le réactiver par un passage dans un four par exemple, pour faire sortir l’humidité et les rendre dessicant de nouveau.

Le gel de silice seul (sans colorant) est non toxique, non réactif et sous sa forme de petites billes ne constitue pas de réel danger. Les billes cassées peuvent cependant engendrer des poussières irritantes.

Ressources

• Silica Gel — Wikipedia
• What happens when you eat silica gel?

image d’en-tête de Silver Spoon

Le tableau périodique compte 118 éléments chimiques connus, pourtant, tout cela n’explique que 5 % l’univers.

Tout ce que l’on voit, les galaxies et les étoiles, les planètes, les animaux et les plantes, les océans et les montagnes, nos machines et nos outils, aussi diverses qu’elles soient, sont faits des éléments du tableau périodique, qui sont la matière baryonique et qui ne correspond qu’à 5 % de l’univers.

Sur ce pourcentage, et à l’échelle de l’univers, 90 % de tout ça n’est que de l’hydrogène. C’est-à-dire un simple proton associé (ou pas) à un simple électron, produits suite au big-bang et subsistant depuis, amassés en étoiles (où d’ailleurs l’électron est dissocié de son proton). Les 10 % restants sont partagés entre de l’hélium seul d’une part, produit par la fusion de l’hydrogène dans les étoiles et les autres éléments d’autre part (oxygène, silicium, carbone, fer, or, uranium, magnésium…) qui ensembles ne constituent qu’une infime fraction des atomes de l’univers.

Un rocher, ou même la planète Terre tout entière, aussi grande qu’elle nous apparaît, n’est donc constitué que d’éléments à l’état de trace dans la composition de l’univers. Vous vous sentez insignifiant ? Ce n’est pas terminé.

Que compose donc les 95 % restants de l’univers ? Pourquoi ne la voit-on pas ?

Imaginez-vous marcher sur la plage ou dans la neige et apercevoir des empreintes de pas. Qui les a laissés là ? On ne sait pas : il n’y a personne aux alentours. Pourtant les traces sont là. Quelqu’un a dû les laisser, c’est une certitude.

Dans le cas de ces 95 % de l’univers, c’est la même chose. Bien qu’on ne les voie pas, et qu’on ne sait pas ce que c’est, on voit les traces qu’elles laissent dans l’univers.

Mieux, on a découvert qu’il y a deux types d’empreintes : une gravitationnelle et une liée à l’expansion de l’univers. On a donné, à ces deux choses le nom de matière noire et énergie noire (ou sombre). Ces deux choses ne sont pas à confondre avec l’antimatière, qui est encore autre chose, et qui fait partie de la matière baryonique normale.
On peut aussi citer le courant noir, un autre phénomène mystérieux et d’origine inconnu.

La matière noire

La première correspond à environ 25 % de ce que compose l’univers, et représente donc cinq fois plus que la matière normale. Elle a été découverte en analysant la vitesse de déplacement de galaxies au sein d’amas de galaxies, dès 1933, puis redécouverte près de quarante années plus tard.

Dans un amas de galaxies, toutes les galaxies orbitent le même centre de masse, et normalement, les galaxies proches du centre se déplacent bien plus rapidement que celles plus éloignées. La diminution de la vitesse en fonction de la distance suit une loi bien précise et parfaitement connue. Or, on a constaté que cette règle n’était pas respectée pour les galaxies dans ces amas, ni même pour les étoiles dans une galaxie.

Une des façons d’expliquer ça, fut par l’hypothèse d’une masse cachée, invisible. On a baptisé ça la « matière noire ». On ne sait vraiment pas grand-chose à son sujet, mais on sait :

• que c’est là, ou en tout cas que quelque chose est là ;
• que ça agit au travers de l’interaction gravitationnelle ;
• qu’il y en a environ 5 fois plus que de matière normale.

Et… c’est à peu près tout à ce jour. La nature exacte reste un mystère à ce jour.

La matière noire n’est pas visible, elle n’interagit donc pas avec la force électromagnétique. Elle ne forme pas de « molécules » et semble ne pas former d’astres denses. Elle semble juste constituer de larges amas autour des galaxies.

L’hypothèse d’une masse fantôme 5 fois plus grande que la matière ordinaire expliquerait d’autres phénomènes étonnants dans l’univers et l’espace, comme les variations dans le fond diffus cosmologique. Ce dernier est la chaleur rémanente du Big-Bang, qui est globalement homogène dans l’univers tout comme la distribution des galaxies dans la galaxie.
Les seules variations ne sont que de ±0,1 % par endroit : c’est faible, mais elles restent anomalistiques. Néanmoins, les différentes simulations numériques arrivent à les retrouver, à condition d’avoir un univers cinq fois plus massif que ce qu’on a avec la seule matière visible.

On a donc des preuves suffisantes pour dire qu’il existe quelque chose. Quant à savoir si c’est vraiment une masse, ou une « matière », rien n’est moins sûr. Il existe d’autres hypothèses concurrentes.

La plus connue est probablement la théorie MOND (MOdified Newtonnian Dynamics), qui se destine à expliquer les mouvements des galaxies et l’anomalie du fond diffus cosmologique par une modification de la mécanique newtonienne. Elle semble moins soutenue que celle d’une vraie « matière » fantôme.

Une autre voudrait que la masse manquante soit le résultat de l’interaction de notre univers avec un autre univers, et qui agirait dessus à distance, à la manière d’un aimant caché sous une table qui agit sur un trombone posé dessus.

Certains pensent que la matière noire est juste de la matière « normale » mais que l’on ne verrait pas : petits trous noirs, ou particules très légères mais hyper-nombreuses, telles que des neutrinos (regroupées sous le terme de WIMPs : weakly interacting massive particles), des formations inconnues composées de particules connues (strangelet, ou particules formés de multiples quarks). D’autres penchent pour une cinquième force fondamentale, une anomalie dans la supersymétrie, etc.

Mais à cause de l’absence de preuves directes, cela fait 90 ans que le mystère reste entier, malgré des dizaines d’expériences scientifiques. Les premiers résultats de détection d’ondes gravitationnelles encouragent à penser qu’on a enfin une méthode pour analyser la matière noire qui n’agit que par gravité, mais on est encore dans un épais brouillard scientifique tout de même.

L’énergie noire

L’énergie noire, elle, est tout à fait autre chose. Son hypothèse est également plus récente et remonte à 1997 !

En relativité générale, les équations permettent tout un tas de choses que la physique classique ne permettait pas. L’une de ces choses est un univers en expansion. Ceci a été mis en évidence par Edwin Hubble, le scientifique éponyme du télescope. Ce dernier remarqua que les galaxies lointaines subissaient davantage le phénomène de décalage vers le rouge — le redshift — que les galaxies plus proches. Cela signifiait que les galaxies lointaines s’éloignaient plus vite.

L’explication à ça est que l’univers était en expansion et que plus les galaxies étaient distantes de nous, plus il y a d’espace qui s’étire, et donc plus l’expansion les éloigne de nous. La lumière émise par ces galaxies étant elle aussi étirée, les longueurs d’ondes s’en voient d’autant plus allongées que les galaxies sont loin.
Or, si notre univers grandit à chaque seconde qui passe, ça signifie que par le passé, il était plus petit. Aussi, si l’on remonte assez en arrière, il y a un moment où sa taille devait être nulle. Cette idée — nouvelle en 1930 — était considérée comme ridicule et on donna ironiquement le nom de « big bang » à l’explosion qui provoqua l’expansion initialement.

Pourtant, beaucoup d’indices incontestables aujourd’hui montrent que notre univers est bien en expansion.

Une question qui vient dès lors est de se demander si cette expansion ralentit ou non, et donc de savoir s’il arrivera un moment où l’univers cesse de s’étendre pour amorcer une contraction (et éventuellement un retour vers un état ultra-dense, c’est-à-dire l’idée connue sous le nom de « big crunch »), puis une explosion de type big-bang de nouveau, créant un processus cyclique sur la formation de notre univers.

Les mesures qui suivirent pour répondre à cette question donnèrent un résultat inattendu : non seulement l’expansion ne ralentit pas, mais en plus elle accélère ! Ceci semble enfreindre tout un tas de lois physiques, mais c’est ce qu’on observe.

Le taux d’expansion est connu sous le nom de constante de Hubble. On mesure ainsi que l’univers gonfle de 70 km/s par mégaparsec. Ça signifie qu’une galaxie située à 1 mégaparsec (3 261 564 années lumière) s’éloigne de nous, et nous d’elle, avec une vitesse de 70 km/s. C’est donc cette vitesse qui croît avec le temps.

Bien-sûr, si l’univers gonfle de plus en plus vite, une certaine pression ou énergie le pousse à faire ça. Mais laquelle ? Cette « énergie » inconnue, c’est l’énergie noire.

Tout comme pour la matière noire donc, on ne sait pas grand-chose à son propos. On sait seulement qu’elle est là, quels sont ses effets et aussi qu’elle est sans cesse créée. En effet, si l’univers gonfle, l’énergie doit logiquement être de plus en plus diluée et donc de moins en moins active. Or c’est l’inverse que l’on observe ! L’énergie noire est donc de plus en plus active, donc si elle était créée constamment. À partir de quoi ? On ne sait pas. Une hypothèse serait qu’il s’agit d’une propriété intrinsèque de l’espace. Et comme l’espace s’étend, l’énergie noire est de plus en plus importante aussi.

Si l’énergie sombre se crée de nulle part aujourd’hui, c’est qu’il y en aura de plus en plus avec le temps qui passe, mais aussi qu’il y en avait de moins en moins si l’on remonte le temps. En particulier, juste après le Big Bang, il y en avait moins que la matière (et la matière noire). La gravité agissant de façon attractive sur la matière, en l’absence d’énergie sombre suffisante, l’expansion doit ralentir. Ceci s’est bien produit durant environ 8 milliards d’années, mais depuis 5 milliards d’années après, l’expansion est en accélération.

Cela semble enfreindre les lois les plus fondamentales de la physique, mais ça ne semble pas plus absurde que l’idée d’un univers tout entier lui-même né d’une explosion originelle ! Ainsi, si l’on peut accepter l’idée d’un big-bang sorti de nulle part, il devrait être acceptable l’existence d’une énergie dont il s’en crée également de plus en plus à mesure que l’espace grandit.

Les raisons ou l’origine de tout ça demeurent un mystère, mais on estime que la quantité « d’énergie » qui pousse notre univers à gonfler de plus en plus vite est aujourd’hui telle que ça représenterait environ 70 % de tout ce qu’il contient.

On peut digresser un peu et imaginer ce qui va se passer dans l’avenir, si l’expansion augmente de plus en plus.
La constante de Hubble nous dit qu’un objet situé à 1 mégaparsec s’éloigne de nous à 70 km/s. S’il est situé à 2 parsecs, il s’éloigne de nous à 140 km/s. Logiquement, un objet suffisamment éloigné pourrait s’éloigner à une vitesse dépassant la vitesse de la lumière. Ce n’est pas tant son éloignement qui a cette vitesse, mais plutôt la « création » de distance entre nous et l’objet. Dans les deux cas, le résultat est le même : de la lumière émise par cet objet ne pourra jamais nous atteindre, car l’expansion sera plus rapide que le déplacement de la lumière.
Il existe donc une distance au-delà de laquelle aucune information ne peut nous parvenir : on appelle ça l’horizon cosmologique.

Si cette expansion s’accélère avec le temps, la constante de Hubble grandit et l’horizon cosmologique se rapproche. Il arrivera un moment où l’horizon cosmologique sera de plus en plus proche de nous. Les galaxies lointaines finiront au-delà et des galaxies visibles aujourd’hui s’éteindront peu à peu, et disparaitront de notre connaissance.

Si l’expansion s’accélère encore, l’horizon cosmologique peut se rapprocher indéfiniment. Assez en fait, pour séparer même les atomes et particules. Dans ces conditions, toutes les particules, tous les atomes finiront par s’éloigner de toutes les autres à des vitesses supraluminiques. Il n’y aura alors plus aucune interaction entre les particules et l’univers sera à un stade de mort thermodynamique.

Le courant noir

Tout comme la matière noire et l’énergie noire, le qualificatif de « noir » désigne davantage quelque chose que l’on ne voit pas, que quelque chose de couleur noire.

Pour celui-ci, il n’y a pas de consensus scientifique. Il est néanmoins assez mystérieux de noter et d’étudier quelques étonnements obtenus dans divers travaux de recherches, en particulier quand cela concerne un éloignement mystérieux et uniforme d’une partie de l’univers à 600 kilomètres par seconde…

Si l’on n’avait que l’expansion uniforme de l’univers, alors toutes les galaxies situées à la même distance de nous s’éloigneraient à la même vitesse quelle que soit la direction dans laquelle on regarde. Or, des observations menées dès 1973 montraient que d’un côté de nous les galaxies s’éloignent plus vite que de l’autre côté. Dans un référentiel plus englobant, cela voudrait dire que les galaxies dans leur ensemble ont un déplacement global net vers une direction en particulier. C’est ce déplacement unidirectionnel d’un paquet de galaxies que l’on appelle le courant noir, ou flux noir, si on traduit ça de l’anglais dark flow.

Si le courant noir est un déplacement des galaxies vers un endroit en particulier, on peut se demande quelle source attractive — a priori gravitationnellement — provoque ça.

Diverses études (2008, 2013) depuis ces observations semblent tantôt mettre en doute le courant noir, tantôt nous conforter dans l’hypothèse de son existence. Le problème réside essentiellement dans le fait que les infimes hétérogénéités dans l’intensité du fond diffus cosmologique et la distribution de masse dans l’univers visible ne peuvent expliquer totalement ce que l’on voit. On n’a donc aucune conclusion exacte à donner dans la cause de ces observations.

Le Grand Attracteur, une concentration de galaxies au sein de notre superamas de galaxies Laniakea et situé environ 200 millions d’années lumière de nous (ce qui n’est pas énorme à l’échelle de l’univers visible) et d’une masse de 150 000 galaxies (2×10¹⁶ masses solaire) semble ne pas être la cause du courant noir : les effets du courant noir s’étendraient en effet beaucoup plus loin, à des distances comptées en milliards d’années lumières…

Une hypothèse est que le déplacement actuel soit le déplacement rémanent provoqué par l’attraction de quelque chose situé au-delà de l’horizon cosmologique, et que nous ne pouvons pas voir aujourd’hui, ni visuellement avec la lumière, ni par gravité (ces deux phénomènes se déplaçant à la vitesse de la lumière, rappelons-le).

En conclusion

Cet article présente deux phénomènes (voire trois si on inclue le courant noir dont on n’est pas encore sûr) dont le processus demeure, aujourd’hui encore, inconnu.

On observe des choses, parfois avérées, mais on ne sait pas encore les expliquer.

Ici, on sait que l’on ne sait pas, ce qui est déjà pas mal : on aurait également pu ne pas savoir que l’on ne savait pas. Il y a donc des choses que l’on sait inconnues, et d’autres, probablement encore plus nombreuses dont on ignore jusqu’à l’existence.

La recherche est là pour lever les doutes et les interrogations. Il s’agit d’un processus long et complexe, mais qui avance petit à petit malgré tout. Et plus la recherche avance, plus la somme de ce que l’on sait et connaît augmente et plus l’on progresse dans ce brouillard épais des connaissances.

En sciences toujours, l faut mieux admettre que l’on ne connaît pas quelque chose (et éventuellement stimuler les recherches sur le sujet), que s’inventer des conclusions et des raisons sorties de l’imaginaire et produites sans preuve, ou même d’indices.

En sciences, ne pas savoir n’est pas un problème.

• Dark Flow & The Great Attractor - YouTube
• What is Dark Matter and Dark Energy? - YouTube
• The Absurd Search For Dark Matter - YouTube
• Dark Flow & The Great Attractor - YouTube
• Cosmological constant — Wikipedia
• Where Did Dark Matter And Dark Energy Come From?
• Grand attracteur — Wikipédia
• NASA - Mysterious Cosmic 'Dark Flow' Tracked Deeper into Universe|https://www.nasa.gov/centers/goddard/news/releases/2010/10-023.html]

Image d'en-tête de Don Mc Crady

On connaît tous très bien les films de James Bond où un tireur utiliser une arme à feu avec un silencieux : tirer avec l’arme transforme le bruit du coup de feu en un simple « clic » dû simplement bruit mécanique lié à la détente et au percuteur. Sauf que, bien-sûr, ceci est totalement idéalisé.

Dans le monde réel, le silencieux est très loin d’être « silencieux » : au mieux, le bruit passe de clairement assourdissant à juste très fort (termes scientifiques… ou pas), mais le coup de feu est toujours là. Le terme de « silencieux » est d’ailleurs plutôt un terme grand public : plus techniquement on parle généralement de modérateur de son, ou encore de suppresseur (de l’anglais « suppressor »).

Il y a pourtant tout de même une nette amélioration, et elle est plus utile au tireur afin de protéger son ouïe, plutôt que réellement tuer quelqu’un sans se faire entendre.

La science et l’ingénierie derrière tout ça reste assez intéressante et c’est donc pour ça que cet article a été écrit.

Du bruit d’un coup de feu

Pour savoir comment fonctionne un silencieux, il faut d’abord connaître le mécanisme derrière le coup de feu, pourquoi c’est si bruyant, et ensuite trouver des moyens pour réduire ces effets-là.

Il y a essentiellement deux choses qui font du bruit quand on tire avec une arme :

• le coup de feu lui-même, à cause de l’explosion de la charge de poudre ;
• le crack supersonique, correspondant à la balle qui traverse l’air à une vitesse supersonique.

On va commencer par le crack supersonique. C’est la même chose qu’un bang supersonique d’un avion : la balle, comme l’avion, traverse l’air à une vitesse supérieure à la vitesse du son dans l’air. Ce qui arrive alors, c’est que les ondes sonores, qui s’échappent de la balle sont rattrapées par la balle elle-même. Les nouvelles ondes produites sont donc produites les unes par-dessus les autres :

Il se forme alors un cône, appelé cône de Mach, où les compressions-décompressions qui constituent l’onde sonore se superposent et forment donc une zone de compression-dépression très importante, autrement dit, un son très intense, correspondant à un « bang ».
Même un petit projectile peut ainsi produire un bang assez fort et très bien audible, surtout quand on se trouve à proximité de la trajectoire de la balle.

Ce bruit-là est lié au déplacement de la balle elle-même, et un silencieux que le supprimera pas. On peut cependant utiliser une munition moins chargée en poudre : la balle sera alors tirée avec moins de puissance et donc moins vite. On parle de munitions subsoniques. L’onde de compression-décompression ne s’accumulera plus devant la balle et ne produira plus le fameux bang.

Ensuite vient le bruit du coup de feu lui-même. Ce bruit, comme tous les bruits en fait, provient aussi d’une compression-décompression rapide dans l’air. Ici, ce sont les gaz produits par la combustion de la charge qui, lorsqu’elles se détendent brutalement à la sortie du canon, produisent une compression subite de l’air, et à nouveau un son très important. Ces gaz sont à une pression très élevée, de l’ordre de 200 atmosphères.

Précisons que les gaz sont ce qui propulse la balle à leur très haute vitesse : ils sont donc situés dans le dos de la balle et sortent toujours après celle-ci du canon.

C’est sur ce bruit-là qu’un silencieux agit.

Le mécanisme d’un silencieux

Un silencieux est essentiellement une cavité placée au bout du canon d’une arme et qui, à défaut de supprimer totalement le bruit, le réduit tout de même de 20 à 35 dB, ce qui est tout de même assez remarquable, quand on se souvient que l’échelle des décibels est logarithmique.

D’après ce qui précède, pour éviter le bruit, il faut réduire la pression du gaz en sortie du canon, et faire en sorte qu’il sorte beaucoup plus lentement, de façon moins explosive, en somme. Et c’est exactement ce qu’il fait.

Dans un premier temps, le silencieux agit comme une cavité qui recueille les gaz de combustion et leur offre un « espace de détente ». La détente des gaz n’a donc pas lieue dans l’air, mais dans une cavité rigide. Le son ne sort donc (presque) pas dans l’air environnement et il n’y a (presque) pas de bruit.
Aussi, si le silencieux est froid, les gaz de propulsion vont pouvoir se refroidir un peu et ceci réduit également déjà la pression.

Ceci dit, contenir les gaz de combustion ne suffit pas. Le silencieux est toujours rempli des gaz de combustion qui n’étaient pas là avant : il y a donc toujours une surpression et ces gaz doivent être libérées. Pour éviter que cela fasse tout de même du bruit, il faut que la libération du gaz se fasse de façon progressive.
Ici, c’est la géométrie interne du silencieux qui va jouer : leur structure est telle qu’elle forme de multiples cavités et forment même des voies d’évacuations qui empêchent le flux d’air de se faire de façon optimale, et donc de façon ralentie. On retrouve ici le principe d’une valve de Tesla.

Les gaz finissent tout de même par sortir, mais la pression n’est alors que d’environ 4 bars. C’est toujours relativement fort. C’est toujours le double de la pression d’un pneu de voiture, mais tout de même bien moins que les 20 bars de la pression régnant dans une bouteille de champagne. On a donc toujours une compression de l’air en sortie, mais celui-ci est très amoindri.

Conclusion

Contrairement à ce que prétend Hollywood, le silencieux n’est pas totalement « silencieux », loin de là même. Il permet toutefois de réduire le bruit d’un coup de feu d’environ 20 à 35 dB ce qui est représente une division par 30 de l’intensité acoustique.

On obtient ce résultat essentiellement en agissant sur la cause de l’onde de choc d’un coup de feu. Cette onde de choc apparaît suite à une rapide détente de gaz en sortie du canon. En diminuant la vitesse de détente de ces gaz, on réduit le bruit. Le silencieux agit comme une cavité de retenue des gaz en expansion et sa géométrie interne fait tout pour que les gaz s’échappent progressivement.

Ce genre de principe est également utilisé dans les pots d’échappements des véhicules à moteur : chaque explosion dans le moteur produit des gaz dont l’expulsion, très rapide, produit une surpression et donc un son très fort. L’intérieur du pot d’échappement est molletonné et absorbe ainsi l’onde de choc et permet une libération progressive des gaz en sortie

Notons que d’autres méthodes de suppression de bruit existent, comme ceux utilisés pour un casque anti-bruit (avec réduction active) ou dans les aspirateurs et les carburateurs (avec un résonateur de Helmholtz).

Ressources

• How loud is a gunshot with a silencer?
• Silencer Guide with Decibel Level Testing
• Shockwave Shadows in Ultra Slow Motion (Bullet Schlieren) - Smarter Every Day 203 - YouTube
• See Through Suppressor in Super Slow Motion (110,000 fps) - Smarter Every Day 177 - YouTube

image d’en-tête de DickClarkMises

Dans ce troisième article sur les choses que l’on peut faire à la maison, je vous propose de vous munir d’un aimant puissant (ceux qu’on trouve dans les disques durs par exemple, ou un capable de lever une boule de pétanque).

Repousser de l’eau

Un aimant attire le fer, l’acier et un autre aimant. Concernant le dernier, il peut également le repousser si on change son orientation.

Mais savez-vous qu’il existe également des matériaux naturellement et constamment repoussés par les aimants ? Ce sont les matériaux diamagnétiques.

En présence d’un champ magnétique, les matériaux diamagnétiques développent leur propre champ magnétique, opposé au premier.
Un tel matériau n’est pas magnétique en soi : il n’attire pas le fer et ne repousse pas d’autres matériaux. Mais il repousse un aimant quand ce dernier est suffisamment proche.

L’eau est un matériau diamagnétique, et on peut le voir avec un aimant suffisamment petit et puissant : quand on suspend un aimant au-dessus de l’eau, un petit creux apparaît à la surface du liquide :

Ces expériences où l’on vous montre que les céréales sont attirées par un aimant ne montrent en réalité que le diamagnétisme de l’eau qui compose le lait : l’aimant repousse l’eau, et cela crée un creux à la surface. La céréale tombe alors dans le creux, donnant l’apparence qu’il est attiré par l’aimant.

Cela ne vient pas du fer qui se trouve dans la céréale : l’expérience fonctionne avec du polystyrène ou du pollen, qui ne contiennent pas de fer du tout. D’autres matériaux sont diamagnétiques également, comme le carbone pyrolithique ou le bismuth. Il existe ainsi des figurines où un petit aimant flotte indéfiniment entre deux plaques de bismuth.

Tomber au ralenti

Lorsque l’on fait tomber un objet, il tombe en accélérant à un taux égal à 1 g, où g est l’accélération de la pesanteur), soit 9,81 m/s². Cela veut dire que chaque seconde, la vitesse de chute augmente de 9,81 m/s, ignorant les effets dus aux frottements de l’air.

Maintenant, quand on fait tomber un aimant à travers un tube métallique non-ferreux, même si l’aimant ne frotte pas contre les parois du tube, il est ralenti : l’aimant tombe lentement à travers le tube, défiant alors la gravité.
Il existe deux petits fidgets qui utilisent ce principe pour fonctionner : le Moondrop et le Feel-flux :

Comment ça se fait ?

L’aimant possède un champ magnétique autour de lui. Si l’aimant est immobile, le champ magnétique est statique, invariant. Si l’on bouge l’aimant, alors le champ se déplace avec lui. Autrement dit, si l’on reste posé à un endroit donné, le champ se déplace et varie. Or, un champ magnétique qui varie, ça produit un courant électrique s’il y a un métal pas loin.

C’est ce qui se passe dans le tube : si l’aimant tombe à travers le tube il va induire un courant électrique circulaire dans le tube : on parle de courants de Foucault. Maintenant, que fait un courant électrique ? Il produit un champ magnétique !

Or, le champ magnétique produit par le courant induit par la chute de l’aimant est opposé au champ magnétique de l’aimant lui-même (loi de Lenz). Il en résulte que l’aimant qui chute va voir une force magnétique s’opposer à sa chute : cette force freine la chute de l’aimant et ce dernier tombe au ralenti.

L’aimant ne peut cependant pas s’arrêter totalement : si cela devait arriver, le champ magnétique ne varierait plus, il n’y aurait plus de courant et donc plus non plus de champ magnétique secondaire pour empêcher l’aimant de tomber. En somme, l’aimant est ralenti seulement quand il tombe. S’il s’arrête, on ne peut plus dire qu’il tombe et il n’est plus ralenti.

L’aimant doit tomber pour être ralenti. Et plus l’aimant est puissant, ou plus le tube est conducteur, plus le ralentissement est prononcé : la force empêchant l’aimant de tomber tend alors à s’approche de la force poids qui tire l’aimant vers le bas.

Avec le fidget du Feel-Flux, vous avez la version en cuivre et celle en aluminium. La version en aluminium est bien moins chère, mais celle en cuivre offre un meilleur résultat : le cuivre est meilleur conducteur que l’aluminium.

Enfin, il est à noter que si la chute est ralentie, il y a une déperdition d’énergie cinétique. Cette déperdition a lieu sous forme de pertes thermiques dans le métal. Certains trains ou camions utilisent des freins magnétiques basés sur ce principe pour ralentir sans utiliser de frottements mécaniques (et donc réduit les points d’usure).

Déformer l’image d’un écran CRT

Les écrans CRT, pour cathode ray tube, ou « tubes à rayons cathodiques » sont les écrans cathodiques, ceux des vieilles télés ou écrans.

Ces écrans fonctionnent à base de hautes tensions : une électrode — la cathode — est mise à un très fort potentiel électrique qui va accumuler beaucoup d’électrons dessus. Cette accumulation d’électrons va rendre la cathode très fortement négative et les électrons vont finir par s’en échapper à très grande vitesse, créant un rayon d’électrons.

Vu que le tube cathodique lui-même est sous vide, les électrons fusent à travers le tube à une fraction notable de la vitesse de la lumière. Ils viennent ensuite heurter la surface de l’écran. Ce dernier est recouvert de luminophores et la zone bombardée d’électrons devient lumineuse.
En contrôlant l’orientation du faisceau d’électrons, on arrive à viser les bons pixels et à reconstituer l’image sur la télé.

Les vieux écrans, avant les écrans plats, fonctionnaient comme ça. En soi, c’étaient des accélérateurs de particules de salon.

Maintenant l’aimant : les électrons sont des charges électriques. Or une charge électrique qui se déplace produit un champ magnétique. Si on approche un aimant, le champ magnétique du faisceau va être dévié.

Résultat, si l’on approche un aimant d’un écran cathodique : les électrons tapent dans les mauvais pixels et l’image est déformée. S’il vous reste un tel écran, essayez avec un aimant : cela forme des figures colorées et géométriques, qui tendent à mettre en évidence le champ magnétique de l’aimant (sa forme, son sens…) :

Ces écrans avaient d’ailleurs parfois un bouton « démagnétiser », pour recalibrer l’image et la débarrasser de tout magnétisme résiduel, et ainsi remettre le faisceau en face des pixels.

Ressentir l’oscillation des courants alternatifs

Les aimants sont sensibles aux champs magnétiques : ils réagissent aux champs externes. Ces champs externes peuvent venir d’un autre aimant ou d’un électroaimant. Les transformateurs électriques permettent de convertir de passer d’un courant haute tension (et basse intensité) à un courant basse tension (et haute intensité) en faisant transiter l’énergie électrique par une phase où l’énergie est sous forme magnétique.

Une petite partie de cette énergie magnétique peut fuiter en dehors du bloc transformateur et on peut la détecter. Si l’on tient un aimant dans la main et que l’on approche un dispositif transformateur d’électricité, alors l’aimant se met à vibrer au rythme du champ magnétique dans le transformateur ; lui-même oscillant au rythme des oscillations du courant, généralement 50 Hz.

On peut en faire l’expérience à la maison : les transformateurs électriques ne manquent pas dans nos maisons. Des blocs transformateurs d’un PC, au chargeur d’un téléphone, ou alors, là où ça marche le mieux, ce sont les lampes de bureau basse tension avec un socle. On peut alors poser l’aimant dessus et l’entendre ou le sentir vibrer à 50 Hz !

Parfois, avec les très gros transformateurs, la carcasse métallique même du transformateur vibre sous l’effet du champ magnétique. On appelle ça la magnétostriction et c’est ce qui produit le bruit caractéristique des transformateurs ou même des moteurs électriques (train, voiture électrique, métro…).

Les détecteurs antivol dans les supermarchés fonctionnent également avec des champs magnétiques alternatifs. Ces derniers sont émis par les portiques antivol aux casses ou à la sortie du magasin. Si on essaye de faire passer un article muni d’un dispositif antivol, ce dernier réagit et émet son propre champ magnétique. Ce dernier est ensuite capté par le portique et il sonne.

Vous pouvez passer par un tel portique en tenant un aimant dans la main (rassurez-vous, un aimant permanent ne fait pas sonner les portiques) : il vibrera et vous le sentirez.

Détecter les faux billets

Parmi les nombreuses mesures de protections contre la contrefaçon utilisée sur les billets de banque, il y a l’encre ferromagnétique.

Il s’agit d’une encre dont un des ingrédients contient de l’oxyde de fer, qui réagit à un aimant : le billet est attiré par l’aimant. Les billets en euro (la première série) contient également cette mesure de sécurité et si vous avez un aimant puissant, vous pouvez réussir à attirer certaines parties du billet vers l’aimant :

Notez bien que tout le billet n’est pas magnétique, seules certaines portions le sont. Mais en baladant l’aimant dessus, vous trouverez assez vite les portions concernées.

Certains détecteurs de faux billets fonctionnent en testant la présence et la position de la bande magnétique sur le billet. D’autres détecteurs pratiquent le test à la lumière UV (certaines encres sont fluorescentes), d’autres aux infrarouges, ou encore à la présence de symboles ou inscriptions particulières (constellation EURion).

image d’en-tête de Daynoir