Le synchrotron de Grenoble

introduction

Le personnel du musée des Confluences a eu le privilège d’accueillir le 7 décembre 2015 Paul Tafforeau, docteur en paléoanthropologie, qui a présenté son travail de recherche et d’analyse réalisé au synchrotron de Grenoble. Parmi ses sujets de recherche figurent plusieurs objets de collection du musée, dont des mâchoires d’hominidés fossiles et des momies animales. Sa présentation était à la fois technique, humoristique et didactique, grâce notamment aux animations 3D issues du (très long) travail d’analyse des résultats.

Merci également à Camille Berruyer (ESRF), Halima  Ali Toybou (Laboratoire CNRS « ASM », UMR 5140, Montpellier équipe ENiM), Didier Berthet (musée des Confluences) et Stéphanie Porcier (Laboratoire CNRS « ASM », UMR 5140, Montpellier équipe ENiM – Responsable du projet MAHES).

le synchrotron de Grenoble 

L'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) a été fondé en 1989 et inauguré en 1994. Cet équipement de recherche fondamentale et appliquée, financé par 21 pays, propose aux chercheurs du monde entier une source de rayons X 10 milliards de fois supérieure à celle délivrée en hôpital, ce qui permet d’étudier la matière et le vivant à une échelle atomique.

Le synchrotron est composé de plusieurs parties :

  • un accélérateur linéaire dit Linac, qui produit des électrons et commence à les accélérer ;
  • un booster d’électrons circulaire d’une circonférence de 300 m, où les électrons sont accélérés jusqu’à approcher la vitesse de la lumière ;
  • un anneau de stockage d’un diamètre de 320 m où les électrons tournent dans le vide à une très haute énergie de 6 GeV (Giga électron-volts). Grâce à des aimants de courbure, les électrons dévient de leur trajectoire en émettant un rayonnement synchrotron composé de rayons X durs. Ces derniers sont concentrés en faisceaux de lumière qui sont dirigés vers 43 stations expérimentales, les lignes de lumière, où leur puissance permet de pénétrer et d’étudier la matière et le vivant sans détruire l’original : c’est pourquoi il est utilisé par exemple pour le contrôle non-destructif d’alliages, l’étude de la structure de protéines, ou encore l’analyse de fossiles ;
  • chaque ligne de lumière est composée d’une source de photons issue des électrons déviés, d’une cabine optique pour filtrer et focaliser le faisceau, d’une cabine expérimentale équipée des instruments de mesure où l’on dépose l’échantillon qui va tourner dans le faisceau synchrotron, et enfin d’une cabine de contrôle pour suivre l’expérience.

Le synchrotron de Grenoble est l’un des plus puissants au monde, avec l’APS (Advanced Photon Source) géré par le Laboratoire national d'Argonne à Chicago et le SPring-8 dans la préfecture de Hyōgo au Japon. Il devrait encore améliorer la qualité de sa source de lumière après les travaux menés à partir de 2018, pour une réouverture prévue en 2020. Ainsi les chercheurs disposeront de faisceaux 100 fois plus brillants, cohérents et stables que ceux développés en 2015, et l'ESRF restera la source de rayons X la plus performante au monde.

Dans le cadre de sa thèse consacrée à l’étude des dents de primates fossiles, Paul Tafforeau a passé quelques échantillons au synchrotron de Grenoble pour affiner son analyse : il n’en est jamais reparti et est même passé « du côté obscur de la Force » puisqu’il dirige désormais la ligne de lumière ID19, qui s’est fortement développée en paléontologie. Les lignes de lumières sont pour la plupart intégrées autour de l’anneau de stockage, mais certaines sont installées à l’extérieur pour prolonger le faisceau de photons : c’est le cas d’ID19 ou d’ID17, qui sont les deux lignes les plus utilisées en paléontologie.

Le musée des Confluences collabore avec lui depuis 2005. Des objets de nos collections sont passés à la lumière synchrotron dans le cadre de deux projets distincts.

les dents des hominidés

L’étude des micro-abrasions à la surface des dents pour étudier le type de nourriture ingérée par nos ancêtres plus ou moins lointains est assez connue. Ce que l’on sait moins, c’est que ces mêmes dents permettent de reconstituer certains événements de la vie des hominidés, et de donner un âge biologique à leurs restes fossiles beaucoup plus précisément.

L’étude de différents types de stries à la lumière synchrotron témoigne ainsi de différents traumatismes comme la naissance ou le sevrage, tandis que le temps écoulé entre chaque strie détermine la date précise à la mort du spécimen. C’est cette découverte qui a permis de comprendre que la vitesse de croissance des hominidés a considérablement varié dans le temps : proche il y a quelques 6 ou 7 millions d’années de celle des grands singes lorsque les hominidés s’en séparent, mais typiquement deux fois plus lente pour les Homo sapiens que nous sommes. Ce ralentissement pourrait être lié au fait que le cerveau a besoin de plus en plus de temps pour se développer dans la boîte crânienne, qui doit elle-même pouvoir se souder plus tardivement.

Les spécimens conservés au musée des Confluences (Neanderthal et Sapiens de la Quina, inv. 30001598 et 30002006) ont été récemment imagés au synchrotron afin d’étudier leur développement dentaire.

les momies animales

Depuis 2014, la ligne de lumière dirigée par Paul Tafforeau participe au projet MAHES coordonné par Stéphanie Porcier pour l’étude des momies animales du musée des Confluences. Parmi les 2 000 momies déjà radiographiées par Roger Lichtenberg, certaines ont fait l’objet d’une analyse plus poussée au scanner médical et d’autres ont été - pour la première fois au monde - analysées au faisceau synchrotron.

Les premiers résultats sont bluffants : c’est par exemple le cas pour une momie de chien (inv. 90002317) dont la radiographie avait révélé un ensemble d’ossements complexe et un élément étrange de forme arrondie. La lumière synchrotron révèle clairement que la momie comporte des ossements issus de plusieurs individus. Cette technologie permet également de visualiser précisément l’objet de la taille d’un petit bouton (quelques millimètres) et même d’en faire une impression 3D (résultats en cours de publication).

Plusieurs momies (rapaces, ibis, crocodiles, canidés) ont eu le privilège d’être analysées à l’ESRF. Présentés en avant-première au congrès des égyptologues à Florence en août 2015, les résultats du projet MAHES seront présentés plus largement du 1er au 3 juin 2016 dans le cadre d’un symposium qui aura lieu au musée des Confluences (ISAAE 1, « First International Symposium on Animal in Ancient Egypt », http://isaae2016.sciencesconf.org). Ce dernier sera suivi par l’exposition Momies animales, qui ouvrira ses portes au musée des Confluences en juin 2017.