[SCIENCES] L’hélium en danger : plus précieux et plus rare que le pétrole

Vous n’êtes pas sans savoir que moi, votre planète Terre, suis considérablement transformée et traumatisée par les progrès récents de votre espèce, bande de chameaux (qui, les pauvres, sont totalement innocents dans l’histoire, eux.)

D’ailleurs, selon l’étude d’une équipe de 18 scientifiques parue dans Nature, il serait fort possible que mes écosystèmes connaissent un effondrement irréversible et imminent (avant 2100). En gros, si vous atteignez une transformation de 50% de ma surface, ce serait trop tard et il n’y aurait plus rien à faire. Et vous en êtes à 43%… Je vous laisse imaginer l’urgence du truc. (Enfin pour vous, parce que moi, voyez, je passerai à un autre état comme je l’ai toujours fait, ça ne me posera pas trop de problème, voyez.)

Si vous voulez continuez à perpétuer votre espèce dans des conditions optimales, bougres de bougres d’humains, il va peut-être falloir penser à ouvrir grand vos mirettes sur les problèmes actuels. L’un d’entre vous, un jeune scientifique français nommé Martin, s’inquiète d’ailleurs beaucoup du cas de l’hélium, que je ne vais plus pouvoir vous fournir bien longtemps si vous continuez à ce rythme-là.

J’ai donc interrogé Martin qui a des informations tout à fait instructives à propos de ce gaz irremplaçable qui disparaît de manière inquiétante. Moins médiatique que le pétrole, ce serait pourtant une nouvelle bien plus grave si mes stocks arrivaient à épuisement.

Peux-tu te présenter, cher Martin ?

Je suis doctorant en astrochimie à l’Université Rennes 1. J’étudie les réactions chimiques qui se déroulent dans les nuages froids, tels ceux qui se forment sur Titan et les Giant Molecular Cloud (GMC), tels ceux d’Orion ou du Taureau.

GMC d'Orion

(Précisions : les GMC d’Orion et du Taureau sont des nuages de gaz géants (vraiment très très géants), où se déroulent des réactions alors que nous parlons. Ils vont un jour s’effondrer et donner naissance à des systèmes solaires. Je parle de ceux-ci car ils sont très beaux à l’observation !)

Leurs caractéristiques (exposés aux rayonnements), leur température, densité, et leur composition en font des objets d’étude très importants. On y retrouve en effet des molécules très complexes à l’échelle de ce qu’on trouve principalement dans l’espace : le dihydrogène et l’hélium.

Pour étudier ces réactions, nous utilisons le CRESU (Cinétique de Réaction en Écoulement Supersonique Uniforme, utilisé aussi sous ce nom dans les publications anglophones car inventé en France par des Français \o/), un appareil inventé au sein de notre équipe, et qui a désormais fait des petits dans plusieurs équipes de recherche dans le monde.

Le CRESU

Tu étudies donc de près l’hélium. Peux-tu expliquer ce que c’est ? 

Second élément de la classification périodique, l’hélium (symbole : He) est également le second élément le plus abondant dans l’Univers (24%) après l’hydrogène (75%). Tous les autres éléments de l’univers étant le 1%. J’attends d’ailleurs avec impatience une manifestation de l’hélium et de l’hydrogène « WE ARE THE 99% ! ».

Ayant toutes ses couches électroniques saturées (de même que toute la famille des gaz nobles dont il fait partie), il ne forme pas naturellement de liaison et reste seul, contrairement à l’oxygène ou l’azote, qui dans notre atmosphère forment surtout O2 et N2.

C’est un gaz dit rare dans la classification périodique, mais c’est pourtant le deuxième élément le plus abondant dans l’Univers. Comment se fait-il que j’en sois si peu pourvue ? 

Parce qu’il est inerte et plus léger que l’atmosphère, il monte… et part dans l’espace, pour ne plus jamais être revu, contrairement à son cousin l’argon qui est un constituant de l’atmosphère (environ 1%).

L’hélium qui était présent lors de ta formation a depuis longtemps disparu, et celui qui reste provient de la désintégration alpha de noyaux radioactifs, comme l’uranium. Piégé par des couches géologiques hermétiques, il forme des nappes de gaz, qu’on trouve aujourd’hui principalement au Texas et en Sibérie. Il n’en resterait que 30 à 50 ans accessible facilement.

En effet, c’est peu… Mais pourquoi disparaît-il, au juste ? 

Lorsqu’on l’utilise, il disparaît donc car sa concentration dans l’atmosphère est trop faible pour envisager l’en extraire.

Il est « irremplaçable », dis-tu sur Twitter. A quoi sert-il au quotidien ? En quoi est-il indispensable à l’Humanité ?

Au quotidien, ses fonctions sont dictées par ses propriétés inégalées : étant le plus léger des inertes, il des températures caractéristiques très basses.

(Précisions : un élément inerte est un élément qui, dans la majorité des cas ne réagit avec aucun autre. Mais pas seulement. Il est aussi monoatomique (composé d’un seul atome), sous entendu qu’il n’existe pas de molécule de dihélium He2 par exemple (molécule composée de deux atomes d’hélium).

Le diazote de notre atmosphère est relativement inerte sauf pour quelques éléments chimiques, mais il n’est pas monoatomique (« di- » implique le doublement d’un même atome dans une molécule). L’hélium lui va toujours rester He, sauf à l’ioniser, le bombarder aux électrons, le geler… Bref, au quotidien il est et reste monoatomique et inerte.)

L’hélium liquide sert maintenir à basse température les aimants supraconducteurs, qui sont dans les RMN (recherche scientifique), les IRM (médecine), le LHC (qui vient de découvrir le boson de Higgs).

Sans hélium, plus d'IRM...

On l’utilise aussi en biologie car il est inerte vis à vis des tissus vivants, en optique pour l’utilisation de puissants lasers, ou pour la recherche de fuites car il s’infiltre partout plus facilement que n’importe quel autre élément.

Il a également bien d’autres usages basés sur ses fantastiques propriétés physiques.

La cryogénisation, par exemple, qui fait fantasmer les auteurs et les réalisateurs de science-fiction. Quel est ton avis de scientifique là-dessus ?

La cryogénisation, oui. Mais des bactéries ou de petits multicellulaires. Sur des gros animaux le froid détruit les cellules lors de la congélation. Les recherches avancent mais pour le moment, la seule chose qu’on peut dire, c’est que ceux qui se sont déjà fait congeler ont perdu.

Tu es scientifique. En as-tu besoin pour tes recherches ? Si oui, dans quel but ? 

L’usage que j’en fais est la génération d’écoulement gazeux à travers un profil particulier de tuyère (tuyère de Laval). Les lois de la thermodynamique font que le gaz se refroidit et c’est ainsi que j’étudie les réactions chimiques à basse température dans un nuage. J’ai en effet les mêmes conditions. Je peux utiliser l’argon ou l’azote, mais l’hélium reste le meilleur. L’hydrogène est très bon aussi, mais infiniment plus dangereux et n’est pas applicable tout le temps car il n’est pas inerte.

(Précisions : la tuyère de Laval sert à générer une détente de gaz. Comme dans toute détente, le gaz refroidit alors. Il se produit le phénomène inverse quand on gonfle une roue de vélo, l’air est chaud à la sortie de la pompe. Dans la tuyère de Laval, le profil particulier qu’on lui donne permet de connaitre (sous certaines conditions) la température et la densité du jet de sortie. On utilise cette détente pour étudier les GMC.)

Tu as réagi sur l’hélium suite à la lecture de cet article. Fais-tu partie des scientifiques « terrifiés » ? Plus généralement, que penses-tu de cette étude ? 

L’article donné est effectivement, si ce n’est effrayant, objecteur de conscience. Qu’on ait déjà consommé une bonne part des énergies disponibles avec des rendements désastreux (= échauffement climatique) ne peut être remis en question et doit faire réfléchir quant au modèle de consommation actuel.

De façon assez simpliste, il va un jour falloir choisir entre sa voiture et l’Amazonie. Personnellement je prends le bus…

(Et je t’en remercie.) Que peuvent faire les Humains pour ralentir la disparition du stock d’hélium ?

C’est simple : arrêtons de l’utiliser pour les applications non indispensables. Commençons par ne plus gonfler les ballons à l’hélium. Et ça évitera les pleurs des enfants qui lâchent leur ballon et le voient disparaitre.

Il faudrait limiter son utilisation aux domaines vraiment indispensables, et également pouvoir le recapter lors de son utilisation. Par exemple, celui que j’utilise est pollué par les composés chimiques que j’ai étudié, mais rien d’irréversible avec de bons filtres.

J’espère qu’on trouvera des solutions et qu’on agira rapidement, car sans hélium, on sera beaucoup plus gênés que sans pétrole (qui n’est qu’une source d’énergie et de carbone). Mais les gens n’en ont pas conscience car ils ne l’utilisent pas directement…

Quant au pétrole, en tant que chimiste, je suis révolté qu’on le brûle alors qu’il devrait être réservé à la chimie, mais ceci est une autre histoire d’un autre gâchis.

Comment pouvez-vous être plus « gênés » par la disparition de l’hélium que du pétrole ? 

Le pétrole est une énergie, mais on peut en trouver ailleurs. Oui, c’est très efficace parce qu’il y a beaucoup d’énergie par masse, d’où son usage en carburant, mais on saura se débrouiller. Et pour son usage chimique, on peut partir d’autres composés (pas mal de recherches sur les sucres, ces temps-ci, ou les chaines acides).

L’hélium, aucun autre élément n’a ses propriétés physiques : on ne peut pas l’imiter ni le remplacer. Quand il n’y en aura plus assez… ben les applications de l’hélium devront faire sans et être moins performantes – si tant est qu’elles puissent faire sans…

[PHYSIQUE] Je suis le Boson de Higgs et je vais vous expliquer qui je suis

C’est officiel et (presque) certain : j’existe. Les scientifiques terriens ont réussi à voir des preuves de mon existence, moi qui jouais à cache-cache avec eux depuis plus de 40 ans et qui changeais de place sans arrêt, instable que je suis.

Mais les blagues les plus courtes sont les meilleures (oui, oh, ben, à l’échelle du cosmos, 40 ans, c’est court !) et j’ai enfin bien voulu montrer le bout de mon spin nez. Me voici donc sous les instruments ébahis du LHC, à grand renfort d’énergies considérables à l’échelle humaine et me montrant derrière des chiffres, des courbes et des graphiques. Mais qui suis-je ?…

Si vous ne comprenez rien à la vidéo ci-dessous, alors lisez la suite.

The Higgs Boson Explained from PHD Comics on Vimeo.

 

Pour me présenter le plus simplement et le plus précisément possible, j’ai besoin de vous expliquer le tableau général dans lequel je m’inscris. (D’avance, amis scientifiques, veuillez accepter mes excuses : pour faire limpide, j’ai besoin d’utiliser quelques raccourcis certes grossiers mais néanmoins indispensables.)

Un seul Univers, deux mondes physiques

L’Univers physique se compose de deux mondes, hélas pour l’instant distincts (j’y reviendrai) : l’infiniment grand (les planètes, les étoiles, les nébuleuses, les galaxies, etc) et l’infiniment petit (les atomes, les particules, les quarks, etc).

Vous, Terriens, vous vous situez un peu entre les deux : vous êtes des composés d’atomes (eux-mêmes composés de particules) qui vivez sur une petite planète autour d’une étoile de taille moyenne située dans une galaxie, la Voie Lactée, tout à fait banale.

Et vous avez donc réussi, jusqu’ici, à élaborer deux théories formidables pour expliquer les phénomènes physiques : la théorie de la Relativité générale qui explique l’infiniment grand (le mouvement des objets célestes, la vitesse de la lumière, les courbures de l’espace-temps, etc) et le Modèle standard de la physique des particules qui explique les phénomènes au niveau quantique (l’infiniment petit).

Mais il y a quelques couilles dans le potage (si je puis me permettre). Quelques détails du Modèle standard vous échappent toujours ou sont en cours de validation (c’est mon cas, j’y reviendrai), et surtout, ces deux théories expliquant les deux facettes de l’Univers sont incompatibles entre elles. Comme si deux mondes totalement différents composait notre unique Univers… Cela paraît impossible, et pourtant…

Un seul Univers, une physique unique ?

Depuis Einstein, les physiciens tentent d’unifier ces deux grandes théories dans une théorie «du tout» : une seule série d’équations qui expliquerait aussi bien les phénomènes de l’infiniment grand que ceux de l’infiniment petit.

La théorie des cordes est pour l’instant celle qui s’en approche le plus, mais elle pose encore problème et est quasiment impossible à vérifier par l’expérience : elle part du principe que tout dans l’Univers – la matière, l’espace, le temps – est composé non pas de particules mais de cordes de taille infinitésimales qui vibreraient différemment.

Les 4 forces fondamentales de l’Univers

Mais revenons à nos bosons moutons. L’univers physique est composé de 4 forces fondamentales :

– La plus connue, qui est aussi la plus faible de toutes, est la gravité. Elle est responsable de la chute des corps, des marées, de la forme sphérique des étoiles et des planètes, et de tous les mouvements au sein de l’Univers.

– La moins populaire est l’interaction faible. C’est pourtant grâce à elle que les étoiles existent puisqu’elle est responsable de la fusion nucléaire au sein des atomes qui permet leur formation.

– Plus fort que l’interaction faible, l’électromagnétisme nous est assez familier puisqu’il prend en compte beaucoup de phénomènes de notre quotidien : l’électricité, le magnétisme, la chimie, la lumière…

– Et enfin, la force la plus puissante de toute est la bien-nommée interaction forte. C’est elle qui maintient collés les quarks (particules élémentaires qui forment le noyau atomique) à l’intérieur des atomes pour que leurs noyaux puissent se tenir formés.

Sans ces quatre forces, rien ne serait possible : l’électromagnétisme, l’interaction faible et l’interaction forte, qui agissent dans l’infiniment petit (et qui font donc partie du domaine quantique et du Modèle standard), permettent à la matière de se former et de se maintenir.
La gravité, dans l’infiniment grand (expliquée par la Relativité générale), fait en sorte que toute cette matière se regroupe (pour former des étoiles, des galaxies, des planètes), garde vitesse ou inertie, et s’influence à échelle cosmique.

Bref : une faiblesse dans l’une ou l’autre de ses forces, et l’Univers tel que nous le connaissons ne serait pas possible.

La mécanique des forces

Quel est le rapport avec moi, vous demandez-vous ? Excellente question : nous y arrivons.

Ces forces ne sont pas quelque magie impie sortie de nulle part : elle viennent d’un même endroit/moment (le Big Bang) et elles s’expliquent selon des principes physiques plus ou moins bien connus.

La gravité est la force que nous connaissons le moins bien : les physiciens imaginent qu’elle est transportée par une particule nommée graviton. Mais rien n’est moins sûr – laissons-la donc de côté, puisque de toute façon elle n’a aucune influence sur l’infiniment petit qui est le monde dans lequel je vis.

L’électromagnétisme est une force véhiculée par une particule dont vous avez sans doute déjà entendu parler : le photon.

L’interaction forte est transportée par une particule nommée gluon (moyen mnémotechnique : elle tient les quarks collés ensemble, c’est donc une sorte de super glu !).

Quant à l’interaction faible… et nous y voilà : elle est véhiculée par différentes sortes de particules que l’on nomme boson. Il en existe plusieurs – pour différentes sortes de tâches – et je suis l’un d’entre eux !

Le boson de Higgs, un boson particulier

Mais qu’est-ce qui fait ma particularité ? Après tout, j’ai trois frères bosons et on n’en fait pas tout un plat.

Oui, mais voilà… Je suis la réponse à plusieurs questions un peu importantes quand même :

– Pourquoi certaines particules ont des masses et d’autres pas ? (Ce qui a permis la formation d’atomes plus ou moins lourds, et donc la diversité des éléments, et donc tout dans l’Univers de A à Z en passant par la vie…)

– Sachant que peu après le Big Bang, l’électromagnétisme et l’interaction faible étaient une seule et même force (la force électrofaible), alors pourquoi le photon (vecteur de l’électromagnétisme) a une masse nulle et a donc la vitesse la plus rapide existante, alors que les bosons Z et W (vecteurs de l’interaction faible) possèdent une masse, sont donc lourds, et se déplacent donc moins vite ?

– Qu’est-ce qui a fait que cette force se soit scindée en deux à un moment pour conduire à deux forces aux propriétés si différentes ?

La réponse à toutes ces questions est (en toute modestie) : moi.

Une vinaigrette cosmique

Juste après le Big Bang (on parle de l’ordre de milliardième de milliardième de seconde, hein), l’Univers était encore une espèce de soupe concentrée où les quatre forces fondamentales, pense-t-on, n’en faisaient qu’une.

Comme je vous le disais tout à l’heure, le Graal des physiciens serait de trouver la théorie de l’unification pour enfin expliquer en une seule formule tout et absolument tout, dans l’infiniment grand et l’infiniment petit.

En remontant le temps jusqu’à cette soupe, ils essayent donc de prouver que les 4 forces n’en étaient qu’une en les unifiant les unes aux autres.

Or, si la gravité semble ne vouloir se mêler à aucune autre (elle est un peu prétentieuse…), les scientifiques ont pu prouver qu’à un certain moment dans l’histoire de l’Univers, juste après le Big Bang, donc, l’électromagnétisme et l’interaction faible se rejoignaient pour faire la force électrofaible.

Revenons à notre soupe concentrée. L’univers, à ce stade de son histoire, était très très très dense et très très très chaud, vous imaginez bien, puisqu’il sortait tout juste d’une «explosion» à l’énergie colossale.

Mais plus il grandissait, plus il perdait d’énergie, plus il se refroidissait. A ce stade, la métaphore de la soupe n’est pas géniale, oubliez tout et remplaçons-la par de la vinaigrette. Quand vous faites de la vinaigrette et que vous la remuez avec énergie, on obtient une substance à peu près homogène.

Mais si vous la laissez reposer, l’énergie s’amenuise et ne tient plus vraiment le mélange comme une substance homogène : au bout d’un certain temps, le vinaigre et l’huile vont se séparer et vous les retrouverez l’un en bas, l’autre posé au-dessus.

C’est qui s’est passé à 10-10 secondes après le Big Bang : l’Univers s’étant «refroidi» à 1015 degrés (contre 1018 pour la vinaigrette mélangée), la baisse de température a provoqué une «brisure de symétrie» : comme l’huile et le vinaigre qu’on a vu se dissocier à l’intérieur d’une même substance nommée vinaigrette, la force électrofaible s’est divisée en interaction faible et en électromagnétisme.

Et c’est à ce moment précis que je suis né : je suis le fils de la brisure de symétrie. (Qui a également engendré le divorce entre l’électromagnétisme et l’interaction faible, mais que voulez-vous, hein, c’est un mal pour un bien !)

Un twapéro cosmique

A partir de ce moment-là, tout est simple : j’ai baigné tout l’Univers. Enfin… pas moi tout seul évidemment : avec mes jumeaux, on a constitué ce qu’on appelle un champ de Higgs, une sorte de piscine uniquement composée de bosons de Higgs.

Et comme ce champ baignait tout l’Univers, donc, les particules n’avaient pas d’autre choix que de me traverser, et notamment les autres bosons, vecteurs de l’interaction faible (jeune divorcée), et les photons, vecteurs de l’électromagnétisme (jeune divorcé).

Mais par quel truchement les photons et les bosons qui ont traversé mon champ tout pareil, vindiou de vindiou, se sont retrouvés l’un avec une masse nulle, et l’autre avec une masse non nulle ?

C’est très simple. (MAIS SI.)

Imaginez un twapéro. Jusqu’ici ça va, ce sont des métaphores familières ? Oui ? Bon. Poursuivons.
Imaginez un twapéro bucolique organisé dans un champ, où les twittos et les twittas représentent chacun et chacune un moi-même.
Vous êtes donc, bosons de Higgs métaphoriques, dans ce champ, un verre de limonade à la main, en train de discuter, d’échanger les derniers potins, et de vous demander quand @Soleil_VL va enfin réussir à pécho @Lune_VL. Bon.

Au fur et à mesure, plusieurs nouveaux arrivants arrivent (ce qui est normal pour un arrivant, vous en conviendrez.) Plus l’arrivant a un nombre de followers élevé, plus il est connu d’un nombre important d’entre vous, plus le mouvement de foule pour l’accueillir sera grand.

Exemple :

@Terre_VL arrive dans le champ. Elle a 170 abonnés. C’est peu. Rares seront ceux qui viendront donc à sa rencontre : elle pourra avancer dans le champ sans trop de difficulté, avec légèreté, donc sans trop de masse. (Admettons qu’elle symbolise un neutrino.)

– Vient ensuite @FlorencePorcel (elle m’accueille sur son blog, faut bien que je sois un peu lèche-botte, hein). Avec ses 6270 abonnés, elle a déjà bien plus de chances de se faire souhaiter la bienvenue par nombre d’entre vous : comme vous êtes nombreux à vous regrouper autour d’elle, son avancée sera beaucoup moins fluide que celle de @Terre_VL. Elle aura besoin de plus d’énergie pour traverser le champ et a donc une masse plus importante. (Admettons qu’on elle symbolise un quark.)

– Et soudain, @sgtpembry fait son apparition. (Un Terrien fort sympathique, ce @sgtpembry, j’ai un faible pour lui – un comble pour un vecteur de force, mais que voulez-vous… Il a fait un sketch sur mon monde que j’aime beaucoup, alors… Tenez, je vous le mets là-dessous, je suis assez cool, comme boson.)

Donc @sgtpembry arrive dans le champ. Lourd de 88 500 abonnés, toutes les personnes présentes meurent d’envie d’aller à sa rencontre. Du coup, c’est la cohue, il ne peut pas avancer, comme s’il pesait une tonne : dans le champ, vous, petits bosons de Higgs, lui conférez une masse importante. (Admettons qu’il symbolise le boson Z.)

Et puis, plus tard dans la soirée, Marion Le Photon fait son apparition. Sauf que personne ne la voit ni n’interagit avec elle, puisqu’elle n’est pas sur Twitter mais uniquement sur Google +. Notre pauvre Marion traverse dont le champ sans être jamais freinée, ce qui lui confère une masse nulle…

Fin de la métaphore filée. Voilà. C’est plus clair, maintenant ?

En interagissant avec moi dans mon champ, les particules élémentaires prennent une masse – ou pas.

Sans moi, tout filerait à la vitesse de la lumière (celle de Marion Le Photon). Il n’y aurait donc pas vraiment de différence entre les différentes particules. Elles ne s’associeraient pas, ne formant pas de noyau, donc pas d’atomes, donc pas de molécules, donc pas de matière, donc pas de vie.

M’avez-vous compris ?

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Si vous voulez savoir d’où c’est-y que je viens causer sur un blog, suivez le guide qui vous présentera la genèse de ce projet.

Votre serviteur, @BosonDeHiggs_VL

(NB – L’infographie ci-dessous est chouette mais elle contient une grossière erreur. Sauras-tu la retrouver ?…)