Observer

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Bip… bip… bip bip… *Réglage du langage en cours* Bonjour à tous ! Je suis Rob’Observateur, le robot qui observe le monde qui nous entoure. J’ai été programmé par des scientifiques qui voulaient créer un robot unique, capable de voir l’invisible. Mes capacités : observer l’univers, observer les cellules et observer le corps humain ! 

Je vous laisse cliquer sur les 3 objets suivants pour découvrir mes capacités !

James Webb Telescope

Microscopie à fluorescence

Imagerie médicale

Observer l'univers

Grâce à mon télescope, je peux observer le ciel et voir des astres (planètes ou étoiles) qui sont très loin de la Terre. Aujourd’hui, les télescopes sont tellement puissants qu’ils permettent d’observer encore plus loin que ce que vous pouvez imaginer ! Je vais essayer de vous expliquer tout ça !

Quintette de Stephan : groupement de galaxies de la constellation du Pégase. Image composite prise par les outils NIRCam et MIRI du télescope James Webb.

© NASA, ESA, CSA, STScI

Les télescopes sont des instruments d’optique imaginés dès le XVIIe siècle. Depuis cette époque, ils se sont complexifiés et agrandis pour voir encore plus loin et en meilleure qualité. Pour fonctionner, ils utilisent un système composé de miroirs qui collectent et focalisent les rayons de lumière : chaque miroir concentre un peu plus la lumière perçue et augmente ainsi la luminosité et la taille apparente des objets observés. Aujourd’hui, les télescopes sont même envoyés dans l’espace pour que leurs observations ne soient pas perturbées par l’atmosphère de la Terre ! 

Télescope Hubble
Télescope James Webb

Détails de la nébuleuse d’Orion, observés avec le télescope spatial Hubble (à gauche) et avec le télescope spatial James Webb (à droite).

Les différences entre les deux images sont dues aux technologies utilisées par le JWST : l’usage de l’infrarouge permet d’observer à travers les couches de poussière. Les miroirs et détecteurs présents améliorent la qualité de l’image.

© NASA, C.R. O’Dell, S.K. Wong (Rice University) et NASA, ESA, CSA, PDRs4All Team S. Fuenmayor

Le projet du Télescope Spatial James Webb (JWST) a commencé dans les années 1990. Menés par les agences spatiales des États-Unis, d’Europe et du Canada, pas moins de 14 pays ont participé à sa conception. Il a coûté presque 10 milliards de dollars ! Le JWST a finalement été lancé fin 2021 depuis la Guyane à l’aide d’une fusée Ariane 5. Avant de commencer sa mission, il a dû atteindre son orbite (à 1,5 million de kilomètres de la Terre), déployer son pare-soleil et son miroir primaire et faire tous les réglages nécessaires. Il a produit ses premières images quelques mois plus tard. Tout reste cependant à découvrir, car il devrait rester dans l’espace plus de 10 ans !

Découvrez à travers ce film d’animation plus de détails sur le JWST ! De sa composition à son fonctionnement, apprenez-en plus sur les instruments complexes développés par les différents laboratoires, et notamment l’instrument français imaginé par le CEA : l’imageur MIRIM.

© Film d’animation produit et co-financé par le CEA, le CNES, le CNRS, l’Observatoire de Paris et l’OSUPS et réalisé par la société Fab&Fab.

Comment étudier les exoplanètes ?

Un des objectifs du JWST est l’étude de planètes hors de notre système solaire : les exoplanètes. La première exoplanète, 51 Pegasi b, a été découverte en 1995 par Michel Mayor et Didier Queloz, ce qui leur a valu le Prix Nobel de physique en 2019. Aujourd’hui, plus de 5 000 planètes de tailles variées ont été détectées. Le JWST joue un grand rôle dans l’étude de ces mondes lointains en étudiant leur atmosphère. Mais comment étudier l’atmosphère d’une planète située à des centaines d’années-lumière ? 

Il suffit d’analyser leur lumière. Certaines planètes sont détectées car elles passent entre leur étoile et le télescope, créant une minuscule éclipse repérable. Lors de ces éclipses, la lumière passe à travers l’atmosphère de la planète qui agit comme un filtre. En effet, la lumière d’une étoile est un mélange de toutes les couleurs de l’arc-en-ciel et aussi de “couleurs invisibles” comme les infrarouges ou les ultraviolets.

En étudiant très précisément quelles couleurs sont absorbées par l’atmosphère, il est possible de connaître sa composition. Par exemple, sur l’animation ci-contre, l’atmosphère de la planète paraît  plutôt rouge car elle bloque le bleu et le vert plus que le rouge. Grâce à cette technique, de l’oxygène, du dioxyde de carbone ou même de l’eau ont déjà été détectés dans les atmosphères de certaines exoplanètes.

GIF : simulation d'une planète passant devant une étoile + schéma de la modification de la lumière part les longueurs d'ondes

Animation du passage d’une planète devant son étoile. Le graphe représente la luminosité de chaque couleur au cours du temps.

© Erik Aronson, Université d’Uppsala.

Le saviez-vous ?

Le télescope JWST peut voir dans le temps ! En observant des objets lointains, le JWST capte des lumières qui ont mis beaucoup de temps à parvenir jusqu’à lui. Ainsi, plus on regarde loin dans l’espace, plus on regarde dans le passé ! Ces images observées grâce à la lumière peuvent même dater du Big Bang.

Observer les cellules

Avec mes yeux-microscopes, je peux zoomer jusqu’à voir les cellules du corps humain. Chacune d’elles produit de nombreuses protéines qui assurent son fonctionnement. Mais même en regardant de très près, il est difficile de les distinguer. Les scientifiques ont alors trouvé une solution : les colorer !

Cellules HeLa observées à la microscopie à fluorescence multiphotonique. La couleur provient des marqueurs chimiques fluorescents

© National Institutes of Health – Tom Deerinck, NIGMS, NIH

Comment colorer les protéines ? En réalité, les scientifiques ne changent pas leurs couleurs. Ils vont simplement y coller d’autres molécules qui sont fluorescentes ! La fluorescence, il y en a tout autour de nous. Par exemple : les surligneurs. Leur encre brille, mais pas dans le noir. Pourquoi ? Car l’encre a besoin d’absorber un petit peu de lumière. En l’absorbant, elle se charge un peu en énergie. Elle utilise alors cette énergie pour émettre à nouveau de la lumière, ce qui explique la brillance.

En 1962, les scientifiques découvrent une méduse fluorescente verte. Ils identifient la molécule GFP qui permet à la méduse de briller. C’est cette molécule qui va servir de marqueur : les scientifiques vont développer des techniques pour la coller aux protéines. Il faut ensuite utiliser un microscope à fluorescence pour réaliser les observations. Cet outil éclaire l’échantillon pour exciter les marqueurs puis filtre la lumière pour qu’une caméra ne récupère que celle émise par les marqueurs.

Schéma d'un microscope à Fluorescence

À gauche, représentation du microscope à fluorescence. À droite, schéma du parcours de la lumière dans le microscope à fluorescence. 

© Sagar Aryal, issue du site Microbe Notes

Cette technique a révolutionné la microscopie dans les années 1990. Rapidement, les scientifiques ont réussi à transformer la molécule GFP pour qu’elle émette d’autres couleurs que le vert. Il est alors devenu plus facile d’observer le fonctionnement des cellules du corps humain : comment les neurones communiquent entre eux, comment les cellules cancéreuses se multiplient si vite, comment les cellules immunitaires éliminent les bactéries et les virus, etc. Et les images obtenues sont magnifiques !

Découvrez les images extraordinaires obtenues avec la microscope à fluorescence dans le documentaire Cell Worlds, mondes cellulaires par la chaîne YouTube Explorers 

© Explorers, Terence Saulnier et Renaud Pourpre

Vidéo complète

Les grandes étapes de la microscopie

~ 300 avant JC.
Gravure d'Euclide

Les premières lois de la lumière

Lois théorisées tout d’abord par Euclide, un géomètre de la Grèce Antique. Il découvre notamment que la lumière se déplace en ligne droite. Avant lui, de multiples artefacts étaient utilisés pour servir de loupe (boules de verre remplies d’eau ou émeraudes taillées de manière concave).

Image : Euclide, d’après une gravure du XVIe siècle. ©Wikimedia Commons

XVI-XVIIe siècle
Microscope d’Antoni Van Leeuwenhoek, un des premiers microscopes

Le premier microscope

Sans connaître le nom exact du premier inventeur, plusieurs historiens attribuent cette découverte à Galilée, à Hans et Zacharias Janssen (père et fils) ou encore à Antoni van Leeuwenhoek.

Image : Microscope d’Antoni Van Leeuwenhoek. © Jeroen Rouwkema

XXe siècle
Photo du microscope d'Ernst Ruska, le premier microscope électronique

Le premier microscope électronique

Le premier prototype de ce type de microscope a été construit en 1931 par les ingénieurs allemands Ernst Ruska et Max Knoll. Deux ans plus tard, Ernst Ruska construit le premier microscope électronique dépassant la résolution des microscopes optiques.

Image : Microscope d'Ernst Ruska. © J. Brew

Aujourd'hui
Gros plan sur le système de lentilles d'un microscope optique actuel

La microscopie aujourd'hui

De nos jours, il existe de nombreux types de microscopie : la microscopie à sonde locale, à métalentilles, acoustique, etc.

Image : Microscope moderne. © Yassine Khalfalli

Le saviez-vous ?

Voir l’atome, c’est aujourd’hui possible ! Cette prouesse a été rendue possible grâce à la cryomicroscopie électronique. Cette technique consiste à congeler et donc à figer les échantillons biologiques, permettant ainsi de préserver leur forme et leur structure.

Observer le corps humain

Ne vous cachez pas, je vous verrai… En utilisant les propriétés de la matière, je peux émettre différents types de rayonnements électromagnétiques et m’en servir pour voir à l’intérieur du corps. Pas un bruit ! J’écoute aussi les sons qui traversent la matière pour en deviner les propriétés. Découvrons ensemble ces techniques.

Avec les champs électromagnétiques

IRM

© Ptrump16

L’imagerie par résonance magnétique (ou IRM) est une technique de la radiologie se basant sur les champs électromagnétiques. Elle permet d’obtenir des images de l’intérieur du corps en deux ou trois dimensions pour visualiser le cerveau, la moelle épinière, les muscles, mais aussi les os, les articulations, etc.

Grâce à un système d’aimants, le corps subit des ondes qui font vibrer les atomes d’hydrogène qui composent nos tissus. Ces vibrations émettent des signaux qui sont captés par des caméras puis retranscrits sur un écran.

Avec les rayons X

Radio de poumons

© Umanoide sur Unsplash 

Découverts en 1895 par le physicien allemand Wilhelm Röntgen, les rayons X permettent de voir la matière en la traversant sans pour autant la détruire. Enfin presque. Lorsqu’ils traversent la matière, les photons qui composent les rayons X ont une telle énergie qu’ils arrachent les électrons à la matière : ils la ionisent. À forte dose, ces rayons peuvent provoquer des mutations de l’ADN. En traversant la matière, les rayons perdent plus ou moins d’énergie selon la composition atomique des tissus qu’ils traversent. Plus la matière est composée d’éléments lourds (riche en protons), comme les os, plus les rayons seront atténués contrairement aux tissus mous et gras qui sont composés d’éléments plus légers. Les rayons sont ensuite recueillis sur une plaque photographique, fixe dans le cas d’une radiographie et rotative dans le cas d’un scanner, qui donne une image en 3D.

Fœtus humain de 14 semaines observé au rayons X avec un produit de contraste.

© Laboratoire de l’université Médicale de Montpellier

Avec les ultrasons

L’échographie est une technique médicale utilisant les ultrasons. Les ondes, une fois envoyées dans le corps, rebondissent sur différentes structures internes et perdent en intensité. En étudiant leur retour à la sonde, il est alors possible de les interpréter pour reconstituer une image en temps réel sur un écran. 

Le gel disposé sur la peau est un élément essentiel pour réaliser une bonne échographie. Il permet d’éliminer toutes les bulles d’air entre la sonde et le corps. Ainsi, il facilite l’émission et la réception des ondes sans perturber leur fréquence.

Échographie

© Jmarchn

Avec la lumière infrarouge

Bien que l’homme invisible n’existe pas, les tissus humains sont relativement transparents à la lumière infrarouge. L’imagerie infrarouge se sert de cette propriété pour les traverser sur plusieurs centimètres. Les tissus traversés modifient les rayons lumineux envoyés selon leur capacité d’absorption, ce qui crée l’image. Cette méthode est notamment utilisée pour mesurer le taux d’oxygénation du cerveau, car la molécule qui transporte l’oxygène, l’hémoglobine, réfléchit les rayons infrarouges. 

Dispositif permettant de réaliser une imagerie spectroscopique proche infrarouge

© Walej

Le saviez-vous ?

Voir à travers le cerveau pour comprendre le système nerveux, c’est la mission de la technologie CLARITY ! Testée sur des souris, la technique permet de retirer les lipides de l’organe faisant obstacle à la lumière. Les composants du cerveau deviennent alors transparents tout en restant intacts.

© Karl Deisseroth et son équipe, Université de Stanford

Découvrez d'autres techniques

Sources

Observer l’univers

Observer les cellules

Observer le corps humain