Notre cerveau compte des milliards de neurones. Que peut nous apprendre un seul d'entre eux ?

Chaque cerveau humain, d'environ 1,4 kg, contient quelque 86 milliards de neurones et des milliards de connexions. Les réseaux en perpétuelle évolution qu'ils forment traitent nos mondes intérieur et extérieur, mais la manière exacte dont ils créent ce que nous appelons l'expérience reste encore floue. Pour obtenir une image haute résolution de l'activité neuronale, les neuroscientifiques devraient manipuler le crâne de personnes vivantes à l'aide de techniques invasives – une perspective contraire à l'éthique dans presque tous les cas. C'est pourquoi les chercheurs étudient principalement le cerveau de l'extérieur, avec une résolution plus faible.

L'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) est un outil clé : elle mesure le flux sanguin cérébral, indicateur de l'activité cérébrale. (Lorsque les neurones s'activent, ils consomment davantage d'oxygène, ce qui provoque un afflux sanguin vers les zones actives.) L'électroencéphalographie (EEG), un outil plus ancien, utilise des électrodes placées sur la tête pour enregistrer l'activité électrique des populations neuronales. Bien que ces techniques soient essentielles à la recherche moderne, elles ne fournissent qu'une image grossière de ce qui se passe dans le cerveau.

Rarement, les neuroscientifiques ont l'opportunité d'approfondir leurs recherches grâce à la généreuse participation de patients, notamment ceux opérés de l'épilepsie. Pour surveiller leurs crises, certains patients se font implanter des électrodes dans le tissu cérébral. Avec leur consentement éclairé, les neuroscientifiques peuvent utiliser ces électrodes pour enregistrer l'activité de sous-populations de neurones, voire de cellules individuelles. Ils peuvent ensuite mener des expériences sur les patients afin d'observer comment les neurones réagissent aux odeurs, aux problèmes mathématiques, aux tâches de mémorisation et bien plus encore.

Nouveautés et points importants :

Plus tôt cette année, j'ai publié un article sur les neurones conceptuels , des cellules uniques qui s'activent pour des concepts spécifiques, comme l'actrice Jennifer Aniston. Lorsqu'une personne voit une photo d'Aniston, lit son nom ou l'entend prononcer, les mêmes neurones réagissent. Chaque neurone conceptuel peut coder des dizaines de concepts différents, mais souvent liés. Et chaque personne possède un ensemble différent de concepts et de cellules qui les codent, en fonction de son vécu. Sans les études d'électrodes monocellulaires chez les patients épileptiques, nous ignorerions tout simplement l'existence des neurones conceptuels.

Les neurones conceptuels réagissent également aux odeurs. Dans une étude de 2024, le neurobiologiste Florian Mormann, de l'Université de Bonn, a examiné le comportement des neurones chez des patients épileptiques exposés à différentes odeurs, comme la réglisse ou le café. Ces travaux ont confirmé le mécanisme de traitement des odeurs par le cerveau humain, un phénomène jusqu'alors principalement étudié chez les rongeurs. L'équipe de Mormann a découvert que les neurones du cortex piriforme, une région cérébrale impliquée dans le traitement des odeurs, réagissaient non seulement aux molécules odorantes atteignant les récepteurs nasaux, mais aussi à des images ou des mots associés à l'odeur. Ceci suggère que l'odorat est traité par des neurones conceptuels qui contribuent à la reconnaissance d'informations sensorielles sous forme de concepts abstraits.

En utilisant des techniques similaires, Mormann et son collègue Andreas Nieder, neuroscientifique à l'université de Tübingen en Allemagne, ont découvert comment le cerveau encode les petits nombres. Des neurones spécifiques s'activent pour leurs nombres " préférés ", et cette activation est plus précise pour les nombres de 1 à 4 que pour les nombres plus grands. Dans une étude ultérieure, les neuroscientifiques ont constaté que le cerveau place le zéro sur une droite numérique mentale avec les autres nombres, mais le représente de manière plus distinctive. " Le zéro est simplement une exception, une valeur aberrante, représentée comme telle dans le cerveau ", a expliqué Nieder. 





 

Une IA conçoit des détecteurs inimaginables d'ondes gravitationnelles 

Les ondes gravitationnelles, ces infimes vibrations de l'espace-temps, ont révolutionné notre compréhension de l'Univers depuis leur première détection. Une intelligence artificielle nommée Urania pourrait maintenant repousser les limites de leur observation.

(image, Illustration de la première observation d'ondes gravitationnelles par LIGO. Les formes d'ondes détectées à Hanford (orange) et Livingston (bleu) sont superposées sous des illustrations de trous noirs fusionnants.

La détection des ondes gravitationnelles, prédites par Einstein il y a plus d'un siècle, a nécessité des instruments d'une précision inégalée. L'épreuve technique a été relevé en 2016 par les observatoires LIGO, marquant un tournant dans l'astrophysique. Ces détecteurs exploitent l'interférométrie, une méthode basée sur la superposition des ondes lumineuses.

Une équipe du Max Planck Institute for the Science of Light a développé Urania, une IA capable de concevoir des détecteurs d'ondes gravitationnelles plus performants. En explorant un espace de solutions inimaginablement vaste, l'algorithme a identifié des configurations surpassant les meilleurs designs conçus par l'homme. Ces résultats, publiés dans Physical Review X, pourraient étendre la portée des détections.

Urania a non seulement validé des techniques connues, mais aussi proposé des designs inédits, parfois contre-intuitifs. Ces solutions, rassemblées dans un 'Detector Zoo', sont désormais accessibles à la communauté scientifique. L'IA ouvre ainsi la voie à une nouvelle génération d'instruments d'observation.

L'approche combine optimisation continue et apprentissage automatique, transformant la conception des détecteurs en un problème mathématique. Les designs proposés pourraient améliorer la sensibilité des instruments d'un ordre de grandeur, permettant de capter des signaux plus faibles ou lointains.

(Image graphiques

a) Schéma du détecteur LIGO: un laser alimente un interféromètre avec des bras de 4 km. Des miroirs recyclent la lumière pour améliorer la détection. Un système réduit le bruit quantique, et le signal est mesuré par détection homodyne.

b) Le modèle UIFO est une version flexible d'un interféromètre, formé de cellules optiques paramétrables. Il peut être adapté à différents designs, comme ceux de LIGO ou d'autres détecteurs.

c) Exemple d'intégration du détecteur Voyager dans un UIFO. Les éléments inutiles sont estompés. L'épaisseur des lignes montre l'intensité lumineuse.

Cette collaboration entre humains et machines illustre le potentiel de l'IA en recherche scientifique. Comme le souligne Mario Krenn, comprendre les solutions proposées par l'IA devient un enjeu majeur. Cette synergie pourrait s'étendre à d'autres domaines de l'exploration spatiale.)

Les avancées permises par Urania témoignent de l'évolution des méthodes scientifiques. L'IA ne se contente pas d'imiter l'humain ; elle explore des territoires inconnus, enrichissant ainsi notre boîte à outils pour décrypter l'Univers.

Comment fonctionne un interféromètre gravitationnel

Un interféromètre gravitationnel mesure les infimes déformations de l'espace-temps causées par des événements cosmiques violents. Il utilise des lasers divisés en deux faisceaux parcourant des bras perpendiculaires.

Lorsqu'une onde gravitationnelle passe, elle modifie légèrement la longueur des bras, décalant la phase des faisceaux à leur réunion. Ce décalage crée des interférences révélatrices de l'onde.

La précision requise est extrême: LIGO peut détecter des variations inférieures au diamètre d'un proton. Cette sensibilité permet d'observer des fusions de trous noirs à des milliards d'années-lumière.

Les nouveaux designs proposés par Urania optimisent cette configuration de base, augmentant la portée et la fiabilité des détections.

Pourquoi l'IA change-t-elle la donne en conception scientifique ?

L'intelligence artificielle explore des solutions à une vitesse et une échelle inaccessibles aux humains. Elle teste des millions de configurations, identifiant des optimisations contre-intuitives.

Contrairement aux méthodes traditionnelles, l'IA ne se limite pas aux connaissances existantes. Elle peut découvrir des principes physiques ou des arrangements instrumentaux encore inconnus.

Cette capacité est précieuse pour des problèmes comme la conception de détecteurs, où chaque paramètre influence la performance globale. L'IA trouve des compromis optimaux entre ces variables.

L'IA stimule également l'innovation humaine. Les solutions qu'elle propose inspirent de nouvelles théories et approches, enrichissant le dialogue entre expérimentation et modélisation.

Musique du cerveau - chaque cerveau a une bande sonore, probablement plusieurs. Pouvons-nous la faire travailler pour nous ?
Chaque cerveau a une bande sonore. Son tempo et tonalité changent, selon l'humeur, l'armature de l'esprit et autres dispositifs du cerveau lui-même. Quand cette bande sonore est enregistrée et rejouée - avec les premiers secours, ou les pompiers - elle peut affiner leurs réflexes pendant une crise, et calmer leurs nerfs après.
Lors de la dernière décennie, l'influence de la musique sur le développement cognitif et les études, avec le bien-être émotif, est devenue un champ très couru d'étude scientifique. Pour explorer la pertinence potentielle de la musique avec ces réponses d'urgence, le Dept of Homeland Security's Science & Technology Directorate (S&T) a commencé une étude sous forme d'entrainement neurologique appelée "musique de cerveau" qui utilise de la musique créée à l'avance à partir des propres ondes cérébrales des auditeurs afin de les aider à traiter des maux comme l'insomnie, la fatigue, et les maux de tête provenant d'environnements stressants. Le concept de "musique de cerveau" est d'utiliser la fréquence, l'amplitude, et la durée de sons musicaux pour déplacer le cerveau d'un état impatient vers un état plus détendu.
"La tension vient d'une réponse d'urgence au travail, aussi nous sommes intéressés à trouver des moyens pour aider les ouvriers à rester au top de leur job au travail et d'obtenir un repos de qualité quand ils subissent la pression" dit le manager du S&T Program Robert Burns. "notre but est de trouver de nouveaux moyens pour aider les gens des premiers secours à exécuter leurs tâche au meilleur niveau possible, sans augmenter les tâches, la formation, ou leur niveaux de stress."
Si le cerveau "compose" la musique, le premier travail des scientifiques et d'"attraper" les notes, et c'est exactement ce que le Human Bionics LLC of Purcellville fait. Chaque enregistrement est converti en deux compositions musicales uniques, conçues pour déclencher les réponses naturelles du corps, par exemple en améliorant la productivité au travail, ou pour aider à s'ajuster à des horaires changeant constamment au travail.
Les compositions sont médicalement démontrées comme favorisant un de ces deux états mentaux chez chaque individu : la relaxation - pour réduire le stress et améliorer le sommeil ; et la vigilance - pour améliorer la concentration et la prise de décision. Chaque musique de 2-6 minutes est une composition exécutée sur un instrument simple, habituellement un piano. La musique de relaxation peut ressembler à "une sonate mélodique genre Chopin," tandis que la partie pour la vigilance peut avoir "plutôt le genre Mozart" dit Burns. (il semble donc qu'il y ait un génie classique - ou peut-être deux - en chacun de nous. Écouter une musique d'alerte instrumentale ici : www.dhs.gov/xlibrary/multimedia/snapshots/st_brain_music_active.mp3.
Après que leurs ondes cérébrales aient été mises en musique, on donne à chaque personne un programme d'écoute spécifique, personnalisé à son environnement et besoins de travail. Si elle est utilisée correctement, la musique peut amplifier la productivité et les forces, ou déclencher des réponses naturelles du corps à l'effort.
La musique créée par le Human Bionics LLCest testée comme partie du programme de S&T Readiness Optimization Program (ROP), est un programme de bien-être qui combine l'enseignement de la nutrition et l'entrainement cérébral afin d'évaluer une population de gens de premier secours, d'agents fédéraux, de la police, et des sapeurs-pompiers. Un groupe choisi de sapeurs-pompiers locaux sera le premier à participer au projet.
Ce composant de "musique de cerveau" ou dispositif de protection en cas de renversement, est dérivé d'une technologie brevetée et développée à l'université de Moscou pour employer les ondes cérébrales comme mécanisme de rétroaction afin de corriger certaines conditions physiologiques.
Dans les termes de John Locke, le philosophe britannique, la "musique de cerveau" apporterait une nouvelle signification à son expression célèbre :"un esprit sain dans un corps sain, constitue une courte, mais complète description, de l'état de bonheur en ce monde."
Reste alors Cervantes, qui a écrit : "Celui qui chante effraye et éloigne ses ennuis."

Le CERN relance la recherche des " particules fantômes " de l'Univers

Les scientifiques européens du CERN vont lancer la construction d'un nouvel accélérateur de particules, dans l'espoir d'identifier enfin les "particules cachées" de l'Univers.

Les scientifiques du plus grand accélérateur de particules du monde vont disposer d'un nouvel outil qui, selon les chercheurs, pourrait les aider à découvrir la face cachée de l'Univers.

L'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) va entamer la construction d'un nouveau supercollisionneur, le "Futur collisionneur circulaire", qui sera 1 000 fois plus sensible aux particules dites "cachées", ou "fantômes", que l'équipement actuel utilisé par l'organisation.

Les accélérateurs de particules permettent aux scientifiques de recréer les conditions du Big Bang, la théorie physique qui décrit l'apparition de l'Univers.

Dans ce nouvel appareil, les particules seront projetées contre une surface solide, et non plus les unes contre les autres comme dans les accélérateurs actuels. 

Le collisionneur fait partie du projet SHiP (Search for Hidden Particles) du CERN, un projet en gestation depuis dix ans qui permettra d'étudier certaines des particules les plus discrètes de l'espace.

Richard Jacobsson, physicien principal au CERN, affirme que ce projet pourrait constituer une "avancée considérable" qui redéfinirait la compréhension de la création de l'Univers.

" SHiP est l'une de ces expériences qui pourraient changer le paradigme scientifique et nous faire entrer dans un tout nouveau domaine de connaissances, non seulement sur notre Univers, mais aussi sur notre position dans celui-ci", avance Richard Jacobsson lors d'une interview.

"La plupart des hypothèses que nous avons formulées jusqu'à présent pourraient être réévaluées".

Selon le physicien, les scientifiques n'ont jamais réussi à détecter ce type de particules, car ils ne disposaient pas de la technologie adéquate.

Que sont les particules fantômes ?

D'après Richard Jacobsson, tout ce que nous pouvons voir à l'œil nu depuis l'espace, y compris les étoiles et les planètes, représente environ 5 % de la matière réelle de l'Univers.

Les 95 % restants se répartissent, selon les connaissances actuelles, entre environ 26 % de matière noire et 69 % d'énergie noire, selon le physicien.

Les scientifiques utilisent actuellement le "modèle standard", qui comprend 17 particules différentes, pour expliquer la composition de l'Univers.

En 2012, les scientifiques du CERN ont découvert une nouvelle particule du modèle standard, le boson de Higgs, grâce au Grand collisionneur de hadrons, une découverte qui leur a valu le prix Nobel de physique un an plus tard.

Depuis, les tentatives d'utiliser ce même collisionneur pour mesurer les particules cachées - qui pourraient également constituer la matière noire et l'énergie noire, mais ne font pas partie du modèle standard - se sont toutes soldées par des échecs.

" La découverte du boson de Higgs a comblé un vide sans pour autant prédire quelque chose de nouveau", déclare Richard Jacobsson.

"L'idée de ce projet est née presque par hasard, d'un partenariat entre des personnes issues de différents domaines et désireuses d'explorer la physique sous un autre angle".

Les particules "cachées" ou "fantômes" sont invisibles et ont des connexions physiques plus faibles que les particules déjà découvertes, ce qui les rend difficiles à détecter.

Le Grand collisionneur de hadrons du CERN peut détecter les particules jusqu'à un mètre du site de la collision, mais les particules cachées restent invisibles beaucoup plus longtemps avant de se révéler.

Les détecteurs du nouveau collisionneur du projet SHiP seront donc placés plus loin et produiront davantage de collisions sur une toile de fond fixe afin d'identifier plus facilement ces particules.

La construction des nouvelles installations souterraines du SHiP débutera en 2026 et les premières expériences pourraient avoir lieu vers 2032.

Le futur collisionneur circulaire, quant à lui, sera mis en service dans le courant des années 2040, mais n'atteindra son plein potentiel qu'en 2070, selon des informations rapport de la BBC.

Selon une nouvelle étude, les plantes peuvent réellement "écouter" ce qui se passe autour d’elles, notamment entendre le bourdonnement des abeilles et produire un nectar plus sucré en réponse, pour attirer les insectes volants. Et les fleurs sont littéralement leurs "oreilles".

Sur la base d’observations effectuées sur des primevères du soir (Oenothera drummondii), l’équipe responsable de la nouvelle étude, a découvert qu’en quelques minutes à peine après avoir détecté les ondes sonores des ailes d’abeilles voisines à travers les pétales de fleurs, la concentration de sucre dans le nectar de la plante avait augmenté de 20%. De plus, les fleurs semblaient même capables d’ignorer certains bruits de fond nuisants, tel que le vent.

Selon les scientifiques, cette capacité pourrait bien conférer à certaines plantes un avantage évolutif, en maximisant de ce fait leurs chances de disséminer le pollen. "Nos résultats montrent pour la toute première fois que les plantes peuvent réagir rapidement aux sons des pollinisateurs d’une manière écologiquement pertinente", écrivent les chercheurs, de l’Université de Tel-Aviv en Israël.

Ils ont alors effectué des expériences en se basant sur l’hypothèse suivante : les plantes peuvent effectivement capter les vibrations provoquées par les ondes sonores, ce qui pourrait en partie expliquer la raison pour laquelle les fleurs de nombreuses plantes ont la forme d’une cuvette (cela leur permettrait donc de mieux capturer les sons).

Au cours de plusieurs expériences impliquant plus de 650 fleurs d’onagre, la production de nectar a été mesurée en réponse au silence, en réponse à un son à trois niveaux de fréquence, ainsi qu’à l’enregistrement du bourdonnement des abeilles.

L’enregistrement du bourdonnement des abeilles, ainsi que les sons de basse fréquence (qui correspondaient étroitement à l’enregistrement des abeilles), ont suffi pour provoquer la modification de la composition du nectar, et cela en trois minutes seulement. Par contre, le silence et les sons de haute et moyenne fréquence n’ont eu aucun effet sur les plantes.

L’équipe a également tenté ces expériences avec des plantes dont certains pétales avaient été enlevés. Résultat : aucun changement dans la production de nectar n’a été notée, indiquant ainsi que ce sont bien les fleurs qui font office "d’oreilles" !

Ces tests de laboratoire ont été complétés par des observations effectuées sur des fleurs à l’état sauvage. "Les plantes ont beaucoup d’interactions avec les animaux, et les animaux font et entendent des bruits", a déclaré l’un des membres de l’équipe, Lilach Hadany. "Il serait inadapté pour les plantes de ne pas utiliser le son pour la communication. Nous avons essayé de faire des prédictions claires pour tester cela et avons été assez surpris lorsque cela a fonctionné", a ajouté Hadany.

Pour les plantes, produire un nectar plus sucré pourrait avoir comme conséquence que l’abeille reste sur la fleur plus longtemps (et se nourrisse plus longtemps de ladite fleur), ce qui augmenterait ses chances de récolter du pollen. Et pour la plante, les chances de voir d’autres insectes revenir sur les fleurs de la même espèce à l’avenir, sont également plus nombreuses. Il faut cependant que cette poussée de douceur sucrée soit parfaitement synchronisée, pour que les fleurs en vaillent la peine et que les abeilles s’y arrêtent. C’est exactement ce qui semble se produire.

À l’heure actuelle, le travail des chercheurs n’a pas encore été revu par des pairs, et nous ne savons pas exactement comment les vibrations sont décodées par les plantes. Nous ne savons pas non plus comment ces vibrations sont devenues un élément déclencheur de la production de nectar plus sucré. Mais, dans tous les cas, il s’agit d’un premier pas pour le moins intriguant dans le domaine des études concernant la compréhension des plantes et de leurs réactions face aux sons qui les entourent. "Certaines personnes peuvent se demander comment font les plantes pour entendre, ou sentir ? J’aimerais que les gens comprennent que l’audition n’est pas seulement pour les oreilles", explique Marine Veits, une des auteures de l’étude.

Quant à la suite, les chercheurs souhaitent comprendre comment les plantes réagissent à d’autres sons et à d’autres animaux (y compris à l’Homme).

L’astéroïde dévié par une mission de la Nasa est devenu un " tas de décombres " !

Pour la première fois en septembre 2022, un engin spatial, la mission Dart, a frappé un astéroïde, Dimorphos. Objectif : le dévier de sa trajectoire. Mais la collision n’a pas eu que ce seul effet, nous apprennent aujourd’hui des chercheurs. Elle a carrément remodelé la forme de l’astéroïde. 

(EN VIDÉO - Le film capture par Hubble de l’impact de Dart sur l’astéroïde Dimosphos Le 26 septembre 2022, la mission Dart — pour Double Asteroid Redirection Test — s’écrasait...)

En novembre 2021, la Nasa lançait une mission inédite. La mission Double Asteroid Redirection Test, plus connue sous son acronyme Dart. Son objectif : heurter l'astéroïde Dimorphos pour évaluer la capacité de l'humanité à dévier la trajectoire d'un tel objet qui pourrait présenter des risques de collision avec la Terre. Le choc, à grande vitesse et frontal, a bien eu lieu à plusieurs millions de kilomètres. C'était en septembre 2022.

Pour la première fois, l'humanité était parvenue à dévier un astéroïde. Et pas qu'un peu. Avant la collision avec Dart, il fallait à Dimorphos 11 heures et 55 minutes pour faire le tour de son astéroïde parent - car l'objet visé fait partie d'un système binaire. Une modification de cette durée de 73 secondes constituerait un véritable succès, confiaient les scientifiques à ce moment-là. Mais après l'impact, Dimorphos s'était mis à tourner en seulement 11 heures et 23 minutes !

Dart sur Dimorphos, un impact aux lourdes conséquences

Aujourd'hui, la publication de nouveaux résultats de la mission Dart dans la revue Nature Astronomy révèle quelques détails surprenants de l'opération. L'impact - pourtant comparable, en masse, à celui d'une fourmi sur deux bus - ne semble pas seulement avoir laissé un cratère sur l'astéroïde. Dimorphos pourrait en réalité avoir complètement changé de forme.

Quelques semaines après la collision, l'un des pères de la mission et directeur de recherche au CNRS à l'Observatoire de la Côte d'Azur, Patrick Michel, nous confiait avoir pensé un instant que Dart avait pulvérisé Dimorphos. Il n'était donc peut-être pas si loin de la vérité. Car, sur la base de simulations et de différentes observations, les astronomes estiment aujourd'hui que l'astéroïde de quelque 5 millions de tonnes a tout de même perdu dans l'opération environ 20 millions de kilos. C'est l'équivalent de six fusées Saturn V qui ont emmené les astronautes du programme Apollo sur la Lune !

Des simulations qui révèlent la nature de l’astéroïde

Ces résultats, les astronomes les ont obtenus grâce à un algorithme qui a déjà fait ses preuves par ailleurs. Il décompose l'impact entre deux corps en millions de particules dont le comportement est déterminé par l'interaction de diverses variables reconfigurables, telles que la gravité, la densité ou la résistance du matériau de l'astéroïde. En quelque 250 simulations, les chercheurs ont eu tout le loisir de visualiser les effets de variations sur les paramètres qui leur restent inconnus.

En comparant les résultats de toutes ces simulations aux données recueillies par quelques satellites, les télescopes spatiaux James-Webb et Hubble et par des instruments sur le sol terrestre, les chercheurs concluent que  Dimorphos est un astéroïde " tas de décombres " maintenu par une gravité extrêmement faible plutôt que par sa force de cohésion.  De quoi expliquer l'efficacité étonnante de la déviation orbitale provoquée par Dart.

En attendant confirmation, la défense planétaire progresse

Les astronomes s'attendent donc désormais à ce que la mission Hera, menée par l'ESA, l'Agence spatiale européenne, et qui devrait atteindre Dimorphos fin 2026, trouve un astéroïde de forme très différente. Comme si quelqu'un avait mordu dans le M&M's qu'il était avant sa rencontre avec Dart.

Si cela devait se confirmer, les astronomes notent que Dimorphos, comme Ryugu et Bennu semblent finalement présenter un manque de cohésion certain. Alors même que le premier astéroïde est riche en silicates et les deux autres, en carbone. " Il est intrigant d'imaginer que tous les petits astéroïdes manquent de cohésion. Mais ce serait une bonne nouvelle pour la défense planétaire, car si nous connaissons à l'avance la réaction d'un corps, cela facilitera la conception des outils nécessaires à notre protection ", conclut Patrick Michel dans un communiqué de l’ESA.

Pourquoi la gravité nous tire-t-elle vers le bas et non vers le haut

La gravité est une force omniprésente qui façonne notre expérience quotidienne, nous maintenant solidement sur Terre et régissant les mouvements des planètes dans l’espace. Cependant, une question demeure : pourquoi sommes-nous attirés vers le bas plutôt que repoussés vers le haut par cette force fondamentale ?

Une toile en 4 dimensions

La gravité, telle que décrite par la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, repose sur une compréhension profonde de l’espace-temps, une toile invisible qui enveloppe notre univers. Pour visualiser cette idée complexe, imaginez l’espace-temps comme une entité à quatre dimensions qui combine les trois dimensions de  l’espace (longueur, largeur, et hauteur) avec la quatrième dimension, le temps.

Einstein a révolutionné notre compréhension de la gravité en montrant que les objets massifs, tels que la Terre, ne se contentent pas d’attirer d’autres objets vers eux comme on le pensait auparavant, mais qu’ils courbent l’espace-temps qui les entoure.

La matière crée des puits gravitationnels, pas des collines gravitationnelles

Pour simplifier cette idée, imaginez un trampoline. Si vous placez une masse comme une boule au centre du trampoline, il va créer une déformation autour de lui, formant un puits gravitationnel. Si vous placez une petite balle à proximité, elle roulera naturellement vers la boule plus massive au centre du trampoline. Cette analogie en deux dimensions reflète comment la masse déforme l’espace-temps en créant une attraction gravitationnelle.

Plus un objet est massif, plus la courbure de l’espace-temps est prononcée. Le Soleil crée par exemple une courbure plus importante que la Terre en raison de sa masse supérieure. Cette courbure de l’espace-temps est ce que nous percevons comme la force gravitationnelle.

En ce qui concerne la Terre, nous ne sommes donc pas attirés vers le centre géométrique de cette dernière, mais vers le fond du puits gravitationnel induit par sa présence dans l’espace-temps.

(Image : La masse et l’énergie créent des puits gravitationnels, non des collines.)

Mais alors, pourquoi la Terre ne tombe pas vers le Soleil ?

Notre planète ne tombe pas directement vers le Soleil grâce à un équilibre subtil entre l’attraction gravitationnelle de ce dernier et la vitesse de rotation de la Terre autour de lui. C’est une sorte de danse délicate entre la force gravitationnelle qui attire la Terre vers le Soleil et la force centrifuge générée par le mouvement orbital de la Terre.

La Terre est en effet en chute constante vers le Soleil en raison de la gravité, mais sa vitesse orbitale lui permet de rester en équilibre, ce qui lui évite de s’effondrer directement vers le Soleil. Cette combinaison de la force gravitationnelle et de la vitesse orbitale crée un mouvement orbital stable qui maintient la Terre sur son orbite autour du Soleil. La même chose se produit entre la Terre et la Lune.

Ainsi, la théorie de la relativité générale fournit une explication unifiée de la gravité en reliant la masse, l’énergie, et la géométrie de l’espace-temps. Cette perspective révolutionnaire nous permet de comprendre pourquoi les objets dans l’univers sont attirés les uns vers les autres et offre une vision profonde de la façon dont la réalité physique fonctionne à une échelle cosmique.

En conclusion, la gravité, loin d’être simplement une force qui nous attire vers le bas, est en réalité une manifestation de la courbure de l’espace-temps causée par la masse des objets, comme l’a décrit Albert Einstein. Notre perception de cette force fondamentale repose sur l’idée que la Terre, en déformant l’espace-temps, crée un puits gravitationnel dans lequel nous sommes naturellement attirés. Cette compréhension révolutionnaire nous montre non seulement pourquoi nous restons sur Terre, mais aussi comment les planètes, étoiles et galaxies interagissent à travers cette toile cosmique en perpétuelle déformation. La gravité, dans toute sa simplicité apparente, nous rappelle à quel point l’univers est complexe et interconnecté, révélant des mystères fascinants qui continuent de captiver notre imagination.







 

Les bras de la pieuvre sont capables de prendre des décisions sans l'apport de leur cerveau.

Avec la capacité d'utiliser des outils, de résoudre des énigmes complexes et même de jouer des tours aux humains juste pour le plaisir, les poulpes sont extrêmement intelligents.
Mais leur intelligence est assez bizarrement construite, puisque les céphalopodes à huit bras ont évolué différemment de presque tous les autres types d'organismes sur Terre.

Plutôt qu'un système nerveux centralisé comme celui des vertébrés, les deux tiers des neurones d'une pieuvre sont répartis dans tout son corps, dans ses bras. Dorénavant les scientifiques ont déterminé que ces neurones peuvent prendre des décisions sans l'apport du cerveau.

"L'une des grandes questions que nous nous posions est de savoir comment fonctionnerait un système nerveux réparti, surtout lorsqu'il essaie de faire quelque chose de compliqué, comme se déplacer dans un liquide et trouver de la nourriture sur un fond océanique complexe", a déclaré le neuroscientifique David Gire de l'Université de Washington.

Il y a beaucoup de questions ouvertes sur la façon dont ces nodules du système nerveux sont reliés les uns aux autres.

La recherche a été menée sur des poulpes géants du Pacifique (Enteroctopus dofleini) et des poulpes rouges du Pacifique Est (Octopus rubescens), tous deux originaires du Pacifique Nord.

Ces poulpes ont environ 500 millions de neurones, dont environ 350 millions le long des bras, disposés en groupes appelés ganglions. Ils permettent de traiter l'information sensorielle à la volée, ce qui permet à la pieuvre de réagir plus rapidement aux facteurs externes.

"Les bras de la pieuvre ont un anneau neural qui contourne le cerveau, et donc les bras peuvent s'envoyer de l'information sans que le cerveau s'en rende compte", a déclaré le neuroscientifique comportemental Dominic Sivitilli de l'Université de Washington.

"Le cerveau ne sait pas exactement où sont les bras dans l'espace, mais les bras savent où sont les autres, ce qui leur permet de coordonner leurs actions, comme la locomotion à quatre pattes."

L'équipe a donné aux céphalopodes une variété d'objets tels que des blocs de cendres, des roches texturées, des pièces de Lego et des labyrinthes complexes contenant des friandises, et les a filmés.

Les chercheurs ont également utilisé des techniques de suivi comportemental et d'enregistrement neuronal. Il s'agissait de déterminer comment l'information circule dans le système nerveux d'une pieuvre au fur et à mesure qu'elle se nourrit ou est sondée/étudiée, selon que les bras fonctionnent soit en synchronisation, ce qui suggère un contrôle central, ou seuls, ce qui signifie une prise de décision indépendante.

Ils ont constaté que lorsque les ventouses de la pieuvre acquièrent de l'information sensorielle et motrice de leur environnement, les neurones du bras peuvent la traiter et passer à l'action. Le cerveau n'a rien à faire.

"On voit beaucoup de petites décisions prises par ces ganglions distribués, simplement en regardant le bras bouger, donc une des premières choses que nous faisons est d'essayer de décomposer à quoi ressemble réellement ce mouvement, d'un point de vue informatique", dit M. Gire.

"Ce que nous examinons, plus que ce qui a été étudié dans le passé, c'est comment l'information sensorielle est intégrée dans ce réseau pendant que l'animal prend des décisions complexes."

Tout ceci est conforme aux recherches antérieures, qui ont révélé que non seulement les bras de la pieuvre se nourrissent indépendamment du cerveau, mais qu'ils peuvent continuer à répondre aux stimuli même après avoir été séparés d'un animal mort.

C'est tellement étonnant que les poulpes sont souvent considérés comme aussi proches de l'extraterrestre qu'une intelligence terrestre puisse l'être (et dans certaines propositions, peut-être même carrément extraterrestre).
Il est donc considéré comme non seulement utile de les étudier pour comprendre l'intelligence sur Terre, mais peut-être aussi comme un moyen de se préparer à la rencontre avec des aliens intelligents - si cela arrive un jour.

"C'est un modèle alternatif pour une intelligence" dit Sivitilli. "Qui nous donne une compréhension de la diversité des cognitions dans le monde, et peut-être dans l'Univers.

Les recherches de l'équipe ont été présentées à la Conférence scientifique d'astrobiologie 2019.

Une fusion de trous noirs “interdits” abasourdit les astrophysiciens

Le 21 mai 2019, les vibrations de l'espace nées de la fusion des deux plus gros trous noirs stellaires connus ont traversé le Système solaire. D'où viennent ces trous noirs si massifs ? Une étude récente montre que le mystère est plus profond que nous ne le croyions.

(image : GW190521 : fusion des deux plus gros trous noirs stellaires jamais observés.)

Quand deux trous noirs se rencontrent, ils se tournent autour en un genre de tango gravitationnel, puis leurs horizons des événements respectifs finissent par se toucher : c'est ce que les astrophysiciens nomment la coalescence et la fusion. Un plus gros trou noir est né, mais dans ce cas-là, 2 masses solaires + 3 masses solaires = 4 masses solaires !

En effet, le trou noir fusionné possède alors une masse inférieure aux deux autres cumulées, la masse “perdue” étant convertie justement en ondes gravitationnelles que nous savons percevoir depuis bientôt 10 ans.

Le 21 mai 2019, les détecteurs LIGO (Washington) et VIRGO (Italie) détectèrent donc un signal très, très puissant, la plus grosse fusion de trous noirs stellaires jamais captée. Un trou noir de 66 masses solaires s'accouplait avec un autre de 85 masses solaires, créant un monstre de 142 masses solaires ! Tous les records étaient battus, mais les scientifiques furent sidérés, car ils considéraient cet épisode cosmique impossible. 

Un tel trou noir stellaire ne devrait pas exister !

Rappelons que les trous noirs dont nous savons détecter la fusion par ondes gravitationnelles n'ont rien à voir avec ceux de millions ou milliards de masses solaires qui logent au centre des galaxies. Ceux-là sont des trous noirs dits supermassifs et nous ne savons toujours pas comment ils se forment.

Les trous noirs dont il est ici question sont les plus communs et nous les connaissons très bien. Ils sont dits stellaires, c'est-à-dire que pour les former, il faut l'effondrement d'une étoile d'une masse d'au moins huit fois celle de notre Soleil. À l'article de sa mort, le cœur de l'étoile se charge d'éléments ultra lourds comme le fer et cette dernière explose en supernova, sauf le cœur justement qui, lui, s'effondre sous sa propre masse et devient un trou noir.

Mais un problème théorique s'est posé ce 21 mai 2019. Effectivement, les très, très grosses étoiles de plus de 65 masses solaires n'explosent pas comme les autres et ne devraient pas laisser de trou noir ! Sans trop entrer dans les détails, elles produisent de l'antimatière et se désintègrent dans ce qu'on appelle une supernova par instabilité de paires. Bref, pas de trou noir.

Ces trous noirs ne peuvent être nés que près d'un centre galactique...

Si on veut avoir l'esprit un peu ouvert et considérer que le premier trou noir de 66 masses solaires était à la limite de la théorie, alors pour lui ça va. Mais le second, celui de 85 masses solaires, était en plein dans la plage théoriquement interdite. Il faudrait donc le considérer déjà lui-même comme le produit de fusion d'autres trous noirs.

C'est ce qu'ont fait les chercheurs de l'étude en question, qui ont voulu déterminer les caractéristiques de ces ancêtres. Or ils se sont rendu compte que des trous noirs aussi massifs auraient donné une vitesse de recul très importante (un “kick”), et le seul moyen d'expliquer pourquoi ils ne se sont pas éjectés l'un l'autre est de les placer près d'un centre galactique, là où l'intense densité de matière les maintiendraient.

Ces trous noirs trop massifs se seraient donc formés près d'un noyau galactique. Alors, mystère résolu ? Pas vraiment… Jusqu'à maintenant, les astrophysiciens pensaient que le seul endroit où des trous noirs d'environ 100 à 10 000 masses solaires pouvaient se former était au sein des amas globulaires comme celui-ci :

Ces trous noirs de masse intermédiaire sont décidément bien, bien mystérieux. Et comme souvent, si ce n'est toujours, d'une observation naissent de multiples — et passionnantes — nouvelles interrogations

(Source : Kicking Time Back in Black Hole Mergers: Ancestral Masses, Spins, Birth Recoils, and Hierarchical-formation Viability of GW190521)

Physique : des chercheurs observent une “pluie quantique” pour la première fois 

Des chercheurs ont récemment observé, pour la première fois, un phénomène baptisé " pluie quantique ", à la frontière entre la physique des fluides classique et la mécanique quantique. Cette découverte, réalisée grâce à une expérience sophistiquée, ouvre de nouvelles perspectives pour la compréhension fondamentale de la matière et pour le développement de technologies quantiques avancées2.

Points clés et aspects novateurs

1. Contexte physique classique et analogie

- Le phénomène de la formation de gouttelettes (ex : pluie sur une vitre) est régi par des principes classiques, notamment le principe de moindre action (Lagrange) qui conduit à la minimisation de la surface d’un liquide, et donc à la formation de gouttes sphériques via la tension superficielle.

- Cette tension superficielle est aussi responsable de l’instabilité de Plateau-Rayleigh : un jet de liquide finit par se fragmenter en gouttelettes au-delà d’une certaine longueur, phénomène fondamental en physique des fluides et crucial dans de nombreux domaines appliqués.

2. Question centrale et nouveauté expérimentale

La question fondamentale posée par les chercheurs : ces phénomènes classiques (tension superficielle, instabilité de Plateau-Rayleigh) existent-ils aussi dans le monde quantique ?

Jusqu’à présent, ces instabilités étaient connues dans les liquides classiques et observées dans l’hélium superfluide, mais jamais dans un gaz atomique ultrafroid.

3. L’expérience : création et manipulation de gouttelettes quantiques

- Les chercheurs ont utilisé un mélange gazeux de rubidium-87 et de potassium-41, refroidi à une température proche du zéro absolu, pour créer des gouttelettes quantiques, entités stabilisées uniquement par des effets quantiques.

- Grande innovation : introduction d’un laser comme " tuteur électromagnétique " permettant de canaliser ces gouttelettes et de les étirer en filaments sur une longue distance, créant ainsi une analogie structurelle avec les jets de liquide classique.

4. Observation de la " pluie quantique "

- À partir d’une distance critique, ces filaments quantiques deviennent instables et se fragmentent en plusieurs gouttelettes individuelles, reproduisant à l’échelle quantique l’instabilité de Plateau-Rayleigh observée dans les jets de liquides classiques.

Cette dynamique de rupture a été décrite à l’aide d’expériences et de simulations numériques, confirmant que l’instabilité capillaire existe aussi dans le domaine quantique.

5. Implications fondamentales et technologiques

- Cette observation prouve que certains phénomènes de la physique des fluides classiques trouvent leur équivalent dans le monde quantique, ce qui éclaire la frontière entre physique classique et quantique, encore largement inexplorée et source de nombreuses énigmes scientifiques2.

- Les gouttelettes quantiques pourraient servir de base à la création de réseaux pour des applications futures en technologies quantiques (ordinateurs, capteurs), en optique, nanotechnologies et science des matériaux.

Cette avancée offre un nouveau cadre expérimental pour manipuler et étudier la matière quantique, ouvrant la voie à de potentielles innovations dans la compréhension et l’utilisation des états exotiques de la matière.

Points particulièrement intéressants et novateurs

- Première observation de l’instabilité de Plateau-Rayleigh dans un gaz atomique quantique : jusqu’ici jamais observée dans ce contexte, elle était limitée aux liquides classiques et à l’hélium superfluide24.

- Utilisation du laser comme guide d’ondes pour structurer la matière quantique : cette méthode permet de manipuler la forme et la dynamique des gouttelettes quantiques de manière inédite2.

- Confirmation expérimentale d’une analogie profonde entre physique classique et quantique : la découverte montre que les lois gouvernant la fragmentation des jets de liquide s’appliquent aussi à des systèmes quantiques, ce qui rapproche deux domaines traditionnellement séparés.

- Perspectives applicatives : la possibilité de créer et de contrôler des réseaux de gouttelettes quantiques ouvre des perspectives pour les technologies de l’information quantique et la conception de nouveaux matériaux.

Conclusion

La découverte de la " pluie quantique " représente une avancée majeure dans la compréhension de la matière à l’interface du monde classique et quantique. Elle offre un nouveau terrain d’exploration pour la physique fondamentale et des applications potentielles dans les technologies quantiques, tout en illustrant la puissance des analogies entre phénomènes macroscopiques et quantiques.