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Diaphane : un télescope pour observer… la Soufrière

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Pour étudier un volcan, pourquoi ne pas en réaliser une tomographie, comme les scanners médicaux ? C'est simple, il suffit d'installer un capteur de muons cosmiques... L'idée semble saugrenue mais des équipes françaises du CNRS l'ont fait !

Le volcan de la Soufrière, vu ici depuis l'observatoire volcanologique de la Guadeloupe est sous haute surveillance. © CNRS
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En Guadeloupe, des chercheurs ont installé un curieux engin sur les flancs du volcan de la Soufrière. Ce détecteur à trois surfaces rectangulaires repère les muons, des particules chargées (positivement ou négativement) venues des couches supérieures de l'atmosphère. Pourtant, l'appareil ne pointe pas le ciel mais le volcan.

Les équipes de ce projet Diaphane viennent de l'INSU (Institut national des sciences de l'univers), de l'IN2P3 (Institut national de physique nucléaire et de physique des particules) mais aussi de l'IPGP (Institut de géophysique de Paris). Car il s'agit en effet de se servir de ces particules pour sonder l'intérieur de la Soufrière.

Ceci est un télescope pour volcanologues. Les trois surfaces planes de couleur jaune sont des détecteurs de muons. Cet instrument, alimenté par énergie solaire, a été installé sur le flanc de la Soufrière. © CNRS

De même charge que l'électron ou le proton (donc négatifs ou positifs) mais plus massifs (207 fois) que l'électron, les muons sont produits par la cascade de réactions déclenchées lorsqu'un flux de rayons cosmiques s'enfonce dans l'atmosphère terrestre et entre en collision, à très haute altitude, avec les atomes qu'il rencontre. Une pluie de muons, et d'autres particules, se dirige avec alors vers le sol. La durée de vie des muons n'est que de 2,2 microsecondes, ce qui donnerait une distance parcourue d'environ un kilomètre si Einstein n'avait pas raison sur Newton.

La dilatation temporelle due à la vitesse relativiste des muons allonge leur durée de vie (de notre point de vue), permet à un grand nombre d'entre eux d'atteindre le sol et de s'y enfoncer profondément. Ils seront alors absorbés plus ou moins vite selon la densité de matière qu'ils rencontrent.

Schéma du dispositif. Le relief du dôme volcanique est figuré en couleurs indiquant l'altitude. Le détecteur, à droite, captera les rayons cosmiques (lignes noires), se dirigeant vers lui après avoir traversé le volcan. © Projet Diaphane

Détecter les zones de faiblesse dans le dôme volcanique

Le détecteur de muons est une adaptation de l'instrument utilisé pour l'expérience Opera, qui a étudié le devenir d'un flux de neutrinos muoniques envoyés sous terre entre le Cern, à Genève, et le Gran Sasso, un sommet du massif des Apennins, près de Rome. L'expérience a démontré l'oscillation d'une partie de ces particules, qui deviennent des neutrinos tauiques.

Les enregistrements du détecteur (image du haut) ont permis de déterminer les densités de la roche sur les différentes lignes de visée (les carrés). Le bleu représente le ciel, la ligne brune montre les contours du volcan et les couleurs indiquent les densités. On remarque deux zones plus denses, notées A et C, et une zone de plus faible densité, marquée B. Dans l'image du bas, ces mesures on été reportées sur un schéma structural du dôme, où le détecteur est figuré par une étoile rouge. © Projet Diaphane (image du haut) et IPGP/J.-C. Komorovski (image du bas)

Le détecteur de la Soufrière capte les flux de muons ayant traversé le volcan et détermine leur intensité dans différentes directions. Ces intensités sont comparées à celles que, selon une modélisation, on obtiendrait si le sous-sol du volcan était parfaitement homogène. Les différences montrent alors les variations de densités des roches dans les directions observées, trahissant, par exemple des roches moins denses, voire des cavités. C'est l'équivalent d'une tomographie.

Après plusieurs centaines d'heures d'enregistrements, une première image a pu être obtenue. Cette méthode originale de radiographie cosmique vient compléter les autres moyens d'études et on espère qu'elle mettra en évidence des zones de faiblesses dans le dôme du volcan, ce qui facilitera la localisation des endroits les plus menacés.

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