La cosmologie moderne a maintenant bien établi l'existence de la matière noire. Mais la nature de celle-ci est encore une complète énigme. A l’opposé de ces échelles d’observation de l’infiniment grand, le monde de l’infiniment petit est très bien expliqué par le modèle standard de la physique des particules mais ne propose pas non plus de candidat particule pour cette matière noire. Pierre Brun, physicien des particules à l’Irfu, vient de recevoir une bourse européenne d'excellence ERC pour diriger son projet G-LEAD, GigaHertz Laboratory Experiment for Axion Dark Matter.

Elle vise à construire une expérience originale pour tester un candidat matière noire sous forme d’axions. Ces derniers ont été postulés à la fin des années 70 pour corriger une anomalie liée à un défaut sur une symétrie fondamentale appelée CP (pour la conjugaison de 2 symétries de Charge et de Parité) dans les interactions fortes. Il se trouve que l'axion a toutes les caractéristiques pour être une particule de matière noire : il est neutre, massive et interagit très faiblement avec la matière, si peu que, pour l'instant, il n'a jamais été observé. 

Exiger que l'axion, qui corrige l'anomalie de l'interaction forte, soit aussi la matière noire dans laquelle nous baignons, conduit à la prédiction d’une gamme de masse assez stricte mais pour autant une large bande par rapport aux expériences en cours sur la recherche d’axions. G-LEAD est une expérience exploratoire d’une gamme de masse allant de 10 et 1000 μeV.

La masse manquante de l’univers ou matière noire non-baryonique est probablement constituée de particules qui restent à découvrir. Massives et neutres, aux interactions très faibles, elles échappent toujours à une détection qui permettrait de les identifier. Alors que les photons conventionnels sont sans masse, la matière noire pourrait être faite de particules d’un type nouveau, semblables à des photons massifs. De nouveaux résultats expérimentaux sur la recherche de matière non-baryonique sous cette forme, obtenus par une équipe de trois membres de l’Irfu viennent d’être publiés dans Physical Review Letters [1]. 

« Première lumière » pour l'instrument spectroscopique pour l’énergie noire, Desi (Dark Energy Spectroscopic Instrument) : son installation étant presque terminée, le nouvel instrument commence ses derniers essais avant d’entamer début 2020 et pour cinq ans une gigantesque cartographie du ciel. Cet instrument international, pour lequel le CEA, le CNRS, Aix-Marseille Université et la société Winlight System contribuent fortement, scrutera le ciel pour chercher à comprendre les effets de l’énergie noire.

L’instrument Desi, installé sur le télescope Mayall (Kitt Peak,Arizona), a activé, pour la première fois, son réseau de 5 000 "yeux" à fibres optiques sur le ciel nocturne pour capturer sa "première lumière". Ce jalon marque le début de la campagne de caractérisation finale de l’instrument avant le démarrage des observations scientifiques, prévue pour cinq ans, à partir de début 2020.

L’instrument enregistrera le spectre dans l’ultra-violet, le visible et l’infrarouge de 5 000 objets à la fois. Il est conçu pour pointer automatiquement vers une liste précise de galaxies et de quasars préalablement sélectionnés. Il en détectera la lumière et la décomposera en multiples longueurs d’ondes dans le but de mesurer la distance de ces objets à la Terre.

L’installation de DESI, le Dark Energy Spectroscopic Instrument à l’observatoire Kitt Peak en Arizona vient de franchir une étape importante : avec 6 spectrographes opérationnels sur le site, la configuration minimale requise pour remplir les objectifs scientifiques du projet est atteinte. A terme, DESI comportera 10 spectrographes et s’engagera à partir de 2020 dans le relevé spectroscopique de 35 millions de galaxies et quasars, pour étudier la composante sombre de l’Univers. L’Irfu, responsable de la partie cryogénique des spectrographes, a largement contribué au succès de cette installation et finalise actuellement à Saclay la qualification des caméras du dernier spectrographe. En parallèle, d’autres jalons essentiels pour la construction de l’instrument sont atteints.

La caméra NectarCAM, équipée de près d'un quart de ses modules de détection, grâce notamment  à un financement obtenu auprès des labex P2IO, OCEVU et  OSUG2020, a vu ses premiers évènements de cascades atmosphériques dans le ciel de Berlin Adlershof, la nuit du 22 au 23 mai 2019. Elle est arrivée sur le site du prototype MST (Medium Size Telescope) le 16 mai 2019 en provenance du CEA-IRFU à Saclay. 

Après les vérifications nécessaires au sol, elle a été chargée sur le télescope avec succès par les équipes de l’IN2P3, de l'Irfu au CEA et de DESY Zeuthen.  La prise de données s’est déroulée sans heurts et à permis d’obtenir la première lumière avec la détection de gerbes atmosphériques dues aux rayons cosmiques.

Une étroite coopération entre toutes les équipes du consortium NectarCAM, sans oublier l’équipe du télescope, ont permis de mener à bien ce premier objectif, essentiel pour le projet, avant le déploiement sur site fin 2020 aux Canaries ( le site de l'hémisphère Nord de CTA).

La caméra "partielle" équipée de 23% de ses pixels va revenir début juillet sur sa plateforme d'intégration située à l'Irfu pour être complétée avec ses 1 855 pixels et rejoindre le site Nord de CTA en 2020. les équipes de différents laboratoires du CEA et du CNRS se préparent pour être en mesure de fabriquer jusqu’à 4 caméras par an sur un total de 15 caméras (parmi les 40 telescopes de taille moyenne de CTA).

Le Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) est destiné à faire le relevé spectroscopique de 35 millions de galaxies et quasars à partir de 2020, pour étudier précisément les propriétés de l’énergie noire. Son installation, démarrée en 2018, est entrée récemment dans une nouvelle phase avec la réception et le montage des deux premiers spectrographes sur les 10 que comptera l’instrument. L’Irfu, partenaire du projet depuis la première heure, et responsable de la partie cryogénique des spectrographes,  a réalisé cette installation avec succès. Les 8 spectrographes suivants seront installés en mai et septembre prochains sous coordination de l’équipe de l’Irfu, en partenariat avec les équipe locales.

 

vidéo réalisée par Victor Silva (Irfu/DIS)

 

L'observatoire Cherenkov Telescope Array (CTA) annonce aujourd’hui la signature de trois conventions qui permettront de construire son site austral au Chili, plus précisément sur les terrains de l’ESO à 11km au sud-est du Très grand télescope (VLT) dans le désert d'Atacama. CTA sera formé d’un réseau de 118 télescopes répartis sur deux sites, un dans l’hémisphère Nord et un autre dans l’hémisphère Sud. Les équipes du CNRS et du CEA ont notamment participé au choix de l’implantation dans l’hémisphère Sud et préparent les instruments pour les télescopes. Les premières observations gamma de l’Univers par CTA sont attendues dès 2022.

L’astronomie en rayons gamma témoigne des phénomènes les plus violents de l’Univers comme l’explosion d’étoiles massives en fin de vie (supernovae), l’activité de trous noirs galactiques, la fusion de trous noirs ou les sursauts gamma. En l’associant avec l’observation en infrarouge, visible et en rayons X, elle devrait permettre une meilleure compréhension des « accélérateurs de particules » naturels que sont ces « monstres » cosmiques. Les physiciens espèrent également observer l’annihilation de la matière noire via l’émission gamma qui l’accompagnerait, et ainsi, la démasquer enfin. 

Les télescopes Tcherenkov, comme Hess en Namibie, Magic aux îles Canaries et Veritas aux Etats-Unis, détectent au sol la lumière bleutée produite par l'interaction avec l'atmosphère des rayons gamma de très haute énergie. Afin de couvrir la totalité de la voûte céleste, deux réseaux de télescopes de ce type doivent être installés, l’un dans l’hémisphère Nord et le deuxième dans l’hémisphère Une centaine de télescopes au total, érigés spécifiquement pour CTA, permettra d'étudier les phénomènes cataclysmiques de l'Univers avec des performances dix fois supérieures à celles des instruments existants. 

De nouvelles méthodes statistiques révèlent les plus fins détails de l'Univers

Une équipe dirigée par l'Université College de Londres (UCL), en collaboration avec le Département d'Astrophysique du CEA-Irfu, vient d'améliorer considérablement l'analyse des cartes de matière noire dans l'Univers grâce à de nouvelles méthodes d'analyse de données. Les cartes produites par cette analyse démontrent la puissance de ces nouvelles méthodes innovantes pour analyser les futurs grands ensembles de données comme ceux attendus de la prochaine grande mission cosmologique EUCLID. Ces résultats sont publiés dans la revue MNRAS.

La matière noire constitue environ 85% de la matière dans l’Univers et sa nature n’est toujours pas dévoilée. L’observatoire H.E.S.S. situé en Namibie scrute la région centrale de notre Galaxie à la recherche de rayons gamma mono-énergétiques issus de la collision d’hypothétiques WIMPs, particules élémentaires privilégiées candidates à la matière noire. La recherche menée avec 10 ans d’observations du centre de notre galaxie avec la phase 1 de H.E.S.S. s’avère infructueuse mais permet de poser les plus fortes contraintes à ce jour sur le taux d’annihilation de WIMPs dans la gamme de masse du TeV. Ces résultats viennent d’être publiés dans Physical Review Letter: Phys. Rev. Lett. 120, 201101 (2018).

Plus de vingt ans après la mise en évidence de l’accélération de l’expansion de l’Univers, la nature du phénomène physique à l’origine de cette accélération, appelée « énergie noire », est toujours inconnue. Le modèle actuel de la cosmologie est basé sur la relativité générale comme théorie de la gravitation et établit une prédiction théorique pour la quantité de galaxies qui se forme à u­ne période donnée de l’Univers. On appelle ce paramètre cosmologique le taux de croissance des structures cosmiques. Il permet de tester directement la théorie de la gravitation à l’échelle de ces grandes structures.

Pour la 1ère fois, le multi-spectrographe eBOSS monté sur le télescope du Sloan Digital Sky Survey au Nouveau-Mexique, a permis de mesurer ce paramètre à partir de la distribution des corrélations spatiales des quasars. Les quasars sont parmi les sources les plus brillantes de l’Univers et permettent de sonder une époque quasiment inexplorée par ce test cosmologique, lorsque l’Univers avait entre 3 et 7 milliards d’années. L’échantillon sur lequel l’analyse repose correspond à 2 ans de prise de données et a déjà permis de sélectionner plus de 148 000 quasars. Les mesures effectuées confirment la validité du modèle de la cosmologie basé sur la relativité générale et peuvent aussi être utilisées pour contraindre des théories alternatives de gravité.

Les résultats ont été publiés dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (P. Zarrouk et al, 2018).

La collaboration continue d’acquérir des données dont l’analyse finale est prévue pour la fin 2019 et qui doublera la taille de l’échantillon. Les cosmologistes du DPhP sont fortement impliqués dans toutes les étapes du programme eBOSS, ainsi que dans son successeur, le projet DESI situé à l’observatoire national Kitt Peak en Arizona et dont le début de la prise de données est prévu pour 2020.

Sous la coupole du palais de l'Institut de France de l’Académie des sciences, une cérémonie de remise des prix a eu lieu mardi 21 novembre. Trois chercheurs de l'Irfu ont été récompensés pour leur travaux de premier plan, dans le domaine de la cosmologie pour Nathalie Palanque-Delabrouille (DPhP) et David Elbaz (DAp), et sur les propriétés des poussières et du gaz interstellaire dans l’Univers proche pour Suzanne Madden (DAp).

La compréhension de notre Univers soulève des questions fondamentales auxquelles théorie et observations tentent de répondre, et ouvre la porte à de nouveaux champs d’exploration, comme celui récent des ondes gravitationnelles récompensé par le Prix Nobel de physique 2017.
La plus emblématique énigme de la cosmologie moderne est celle de la composante sombre de notre Univers. Seuls 5% de l’Univers sont constitués de matière connue (dite baryonique) et de rayonnement.  95% de l’Univers sont de nature inconnue: la matière noire (25%), détectée par ses effets gravitationnels à toutes les échelles, et l’énergie sombre (70%), qui agit comme une pression négative s’opposant à la contraction gravitationnelle de l’Univers sous l’effet de la matière. 

Plusieurs sondes observationnelles complémentaires permettent d’enquêter de façon approfondie sur ces composantes sombres, d’une part en caractérisant leurs propriétés, et d’autre part en remontant le cours de l’histoire de l’Univers et de la formation des premières structures - des étoiles aux galaxies et amas de galaxies. Le CEA joue un rôle clé en contribuant à ces programmes observationnels ambitieux, ainsi qu’à la réalisation des instruments au sol et spatiaux les permettant. Trois de ses chercheurs sont récompensés pour leur travaux de premier plan; voici leurs portraits.


Plusieurs décennies après sa découverte, la nature de la matière noire reste une énigme. Récemment, des observations astrophysiques ont motivé de nouveaux modèles cosmologiques dits "matière noire tiède" et "matière noire ultra-légère", pour expliquer ses propriétés. Les spectres des quasars mesurés en particulier par les relevés BOSS auprès du télescope Sloan et XQ100 auprès du VLT ont permis aux chercheurs du DPhP de les tester. Leurs observations favorisent l'hypothèse d'une matière noire froide standard, et placent parmi les contraintes les plus fortes sur les masses de ces particules.

 

Les observations cosmologiques et astrophysiques démontrent l'existence d'une matière noire, source principale des forces de gravité qui produisent et soutiennent les grandes structures de l'univers. Malgré plusieurs décennies d'investigations, la nature de cette matière noire reste en revanche inconnue. En particulier aucune trace de particules de type WIMPs, longtemps évoquées, n'a été trouvée à ce jour que ce soit au LHC, dans les expériences de détection dite directe comme EDELWEISS, ou indirecte comme HESS. D'autres modèles de matière noire font donc l'objet d'attentions croissantes.

 

La première carte de distribution spatiale des structures de l’univers d’aujourd’hui à plus de 10 milliards d’années vient d’être révélée par les astronomes du programme Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Pour remonter à cet âge lointain de l’Univers, les physiciens ont utilisé les sources les plus violentes de l’Univers : les quasars. Ils représentent les objets les plus lumineux et témoignent d'un lointain passé où l'Univers commençait à peine à se structurer après le Big Bang.
A partir de cette nouvelle carte, les chercheurs ont mesuré pour la 1ère fois les distances entre les structures de l’Univers tel qu’il était il y a plus de 6 milliards d’années. Les groupes français du CEA et du CNRS ont eu un rôle majeur dans cette mesure que ce soit concernant la sélection des quasars mais aussi l’analyse de près de 150 000 sources. Les observations continuent mais les résultats de cette nouvelle étude après 2 ans de prise de données confirment déjà le modèle standard de la cosmologie.

L’instrument Desi (Dark Energy Spectroscopic Instrument) analysera la lumière émise par 35 millions de galaxies et quasars à plusieurs moments du passé de l’Univers et jusqu’à 11 milliards d’année, pour mieux cerner l’énergie noire. Son passage en phase de construction en 2016 couronne plusieurs années de recherche et développement qui ont abouti à un design solide et une stratégie d’observation crédible. L’Irfu, partenaire du projet depuis la première heure, y a tenu toute sa place. Retour sur une année qui a vu le projet devenir réalité.

Une nouvelle phase commence pour DESI

La phase de construction de DESI a été lancée l’été dernier après approbation par le département de l’énergie américain (DOE). Son installation auprès du télescope Mayall de 4 m (Fig. 1) situé à l’observatoire national Kitt Peak en Arizona commencera en 2018 avec l’arrivée du correcteur de champ.
 
La campagne d’observations, portant sur un tiers du ciel, débutera en 2019 et durera 5 ans. Elle devrait produire 10 fois plus de données que le projet précédent, BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) achevé il y a deux ans. Cette dernière phase d’approbation par le DOE permet de lancer la construction des pièces maîtresses de l’instrument. A savoir, les 5000 robots positionneurs de fibres (Fig. 2) qui permettront de pointer précisément les objets dont on veut capter la lumière - galaxies, quasars, étoiles - et les spectrographes alimentés par les fibres optiques qui analyseront la lumière recueillie en la décomposant en multiples longueurs d’ondes. 

L’observatoire H.E.S.S. en Namibie traque la matière noire sous forme de WIMPs via la détection des rayons gamma produits lors de leur annihilation. A l’aide des 4 télescopes Tcherenkov phase 1, H.E.S.S. recherche le signal gamma de ces particules candidates à la matière noire dans les régions denses de l’Univers. L’analyse de l’ensemble des observations du centre de la Voie Lactée accumulées pendant les 10 ans de la phase 1 de H.E.S.S. permet de poser les contraintes les plus fortes à ce jour pour des WIMPs dans la plage en masse du TeV. Pour la première fois, les observations gamma au sol permettent de sonder les sections efficaces d’annihilation attendues par la densité relique thermique de particules de matière noire. Ces résultats viennent d’être publiés dans Physical Review Letter.

Sur les hauts plateaux Khomas de Namibie, trônent les 5 télescopes imageurs à effet Cherenkov de H.E.S.S.. Situés ainsi dans l’hémisphère Sud, ils sont idéalement placés pour scruter les phénomènes violents à l’œuvre dans les 300 parsecs centraux de la Voie Lactée. Leur quête? Traquer les rayons cosmiques galactiques à haute énergie, allant du Téra au Pétaélectronvolt (1012 à 1015 eV) pour comprendre leur origine. Ainsi, la mise en évidence d’un accélérateur de protons au PeV, un « PeVatron », avec l’appui de dix années de prise de données est une première historique. Ces protons sont 100 fois plus énergétiques que ceux produits par le plus performant accélérateur construit par l’homme. Plus étonnant encore, l’existence du PeVatron est très probablement liée à la présence d’un objet hors du commun : Sagittarius A*, le trou noir supermassif situé au centre de notre galaxie. Ce résultat remet aujourd’hui en question l’origine du rayonnement cosmique galactique aux plus hautes énergies, attribuées aux seuls vestiges de supernova. Il laisse également entrevoir d’importantes implications sur la physique des trous noirs en accrétion.

 

Intervenant : Emmanuel Moulin SPP/ Irfu / CEA
Réalisation : Alice Mounissamy – communication de l’Irfu / CEA

L’expérience Edelweiss III inspecte la matière noire à travers ses agents les plus secrets : les Wimps. Armés de bolomètres ultra-sensibles installés au cœur du laboratoire souterrain de Modane, l'équipe de recherche traque le signal de cette hypothétique particule. Une nouvelle campagne de recherche, menée durant 8 mois, vise en particulier à tester des indications de signal WIMP potentiel autour de 10 GeV publiées par 4 autres expériences.

Résultat d'Edelweiss: pas de signal! Aucun des candidats, apparus entre 2010 et 2014, n’est recevable pour porter le titre de Wimp. Les campagnes suivantes permettront d'explorer le territoire encore inconnu des WIMPs de très basse masse, en deça de 10 GeV. Les résultats viennent d'être présentés à la conférence internationale TAUP 2015 (Topics in Astroparticle and Underground Physics).

 

 

Les astronomes du Sloan Digital Sky Survey (SDSS) ont utilisé 140 000 quasars lointains pour mesurer le taux d'expansion de l'Univers quand il était âgé seulement d'un quart de son âge actuel. C'est à ce jour la meilleure mesure du taux d'expansion à quelque époque que ce soit au cours des 13 milliards d'années depuis le Big Bang. Des chercheurs de l’Irfu (CEA) et du CNRS ont joué un rôle majeur dans cette découverte.

 

 

Le baryon oscillation spectroscopic survey (BOSS), principale composante de la troisième génération de relevés SDSS, a été le premier à utiliser les gigantesques émetteurs que sont les quasars pour cartographier la distribution du gaz d'hydrogène intergalactique et ainsi mesurer la structure de l'Univers jeune. La sélection des objets à observer est réalisée par des chercheurs de l'institut de recherche sur les lois fondamentale de l'Univers (CEA) et le catalogue de quasars BOSS final est produit par des chercheurs du laboratoire Astroparticule et Cosmologie (CNRS/CEA/Université Paris Diderot/Observatoire de Paris/CNES) et de l’Institut d’Astrophysique de Paris (CNRS/Université Pierre et Marie Curie).

Il y a trois ans, BOSS a utilisé 14 000 quasars pour produire les plus grandes cartes 3D de l'Univers.
Il y a deux ans, avec 48 000 quasars, il a détecté dans ces cartes les oscillations acoustiques baryoniques, témoins des inhomogénéités de l'univers primordial. Aujourd’hui, avec plus de 140 000 quasars, il a obtenu des mesures extrêmement précises de la taille de ces structures, qui ont été présentées lors de la réunion d'avril 2014 de la société américaine de physique à Savannah, en Géorgie.

 

Les physiciens du SPP ont utilisé les données de l'expérience EDELWEISS-II, initialement conçue pour la recherche de WIMPs, des particules candidates pour la matière noire, afin de tenter de mettre en évidence l'existence des axions. Ces particules hypothétiques peuvent expliquer certaines propriétés de l'interaction forte. Les contraintes obtenues par EDELWEISS excluent une large gamme de modèles d'axions et démontrent les performances des bolomètres pour la recherche d'événements rares.

Aujourd'hui, on estime qu'environ 73 % du contenu énergétique de l'Univers provient de l'énergie noire, les 27% restants étant de la matière noire (23 %) et ordinaire (4%). La nature de cette énergie noire responsable de l'accélération de l'expansion de l'Univers est un sujet de recherche brûlant en cosmologie. Son explication la plus simple sous la forme d'une constante cosmologique ne convainc pas tous les physiciens. L'équipe SNLS (Super Nova Legacy Survey) de l'IRFU s'est attachée à confronter un nouveau modèle de gravité modifiée, appelé le Galiléon, aux données de cosmologie les plus récentes issues de différentes observations (SNLS, WMAP, BAO et croissance des structures). Ce modèle fait intervenir un champ scalaire, le Galiléon, médiateur d'une cinquième force qui serait négligeable devant la gravitation au voisinage des corps massifs, mais dominante aux échelles cosmologiques. Ainsi, ce modèle peut s'accorder parfaitement avec tous les tests expérimentaux de la Relativité Générale dans notre Univers local, tout en proposant une explication à l'accélération de l'expansion de l'Univers qui s’observe à grande échelle.

L'équipe de l'IRFU a développé un code d'analyse pour mener cette confrontation du modèle Galiléon aux différentes observations. Les résultats1, publiés dans le journal A&A, montrent que ce modèle alternatif est très prometteur pour comprendre l'évolution de l'Univers. Dans le futur, des mesures du taux de croissance des structures très précises et à des distances lointaines seront déterminantes pour pouvoir distinguer ce modèle de gravité modifiée du modèle de la Relativité Générale d’Einstein.

 

Après l’accord international en juillet 2012 permettant au projet CTA (Cherenkov Telescope Array) d’entrer en phase de pré-construction, ce dernier vient de passer avec succès, les 7 et 8 février, la première des trois revues qui mèneront à la décision ferme de sa construction. Cette revue examinait les objectifs scientifiques et les concepts techniques du projet.

Ce projet international regroupant 27 pays sera composé de 2 sites d’observation, un dans l’hémisphère sud, un dans l’hémisphère nord. Ce nouvel observatoire comprendra plusieurs dizaines de télescopes dédiés à l'astronomie gamma de très haute énergie et vise à améliorer la sensibilité d'un ordre de grandeur par rapport aux télescopes de la génération actuelle tels que HESS, MAGIC et VERITAS.

Au-delà des résultats garantis en astrophysique des hautes énergies, CTA a un potentiel de découverte dans des domaines clés de l’astrophysique et la physique fondamentale. Parmi eux se trouvent l’origine des rayons cosmiques et leur impact dans l’Univers, la nature des processus d’accélération de particules dans l’Univers, en particulier au voisinage des trous noirs, et l’exploration de la nature ultime de la matière et de la physique au delà du Modèle Standard. Dans la phase de pré-construction, l’irfu est impliqué dans trois éléments opérationnels importants : les miroirs et les caméras des télescopes moyens et le développement des logiciels d’analyse des données.

Le comité de revue, composé de membres extérieurs au projet, a pu confirmer l’importance des enjeux scientifiques, et apprécier l’ampleur et la qualité du travail fourni. Ceci lui a permis de valider cette première étape et de donner rendez-vous au projet en automne 2013 pour la seconde revue qui examinera, au delà des concepts, la façon dont CTA sera construit. Une dernière revue, qui se tiendra en 2014, validera tous les détails nécessaires au démarrage de la construction de CTA, qui pourrait avoir lieu dès 2015. Les observations du ciel avec les premiers télescopes sont alors attendues en 2017, et l’observatoire sera pleinement fonctionnel en 2019.

Des astrophysiciens du projet SDSS-III (Sloan Digital Sky Survey), composé en grande partie de chercheurs français, du CEA Irfu et du CNRS In2p3 et INSU, ont effectué la première mesure du taux de l’expansion de l’Univers jeune, âgé de seulement trois milliards d’années sur ces 13,7 milliards, alors que la gravité freinait encore son expansion, avant sa phase actuelle d'expansion accélérée par l'Energie Noire. Ils ont utilisé pour cela une nouvelle technique permettant de dresser une carte en trois dimensions de l’Univers lointain. Ce résultat est en ligne sur arXiv.org.

 

 

 

 


Différentes phases de l'expansion de l'Univers

Hubble et Lemaître ont mis en évidence l’expansion de l’Univers dans les années 1920 en procédant à deux types de mesures pour un même ensemble de galaxies : la distance entre ces galaxies et nous, ainsi que la vitesse de ces galaxies (en utilisant l’effet Doppler sur les raies de leurs spectres).

 

Leurs observations sont à l'origine du modèle "standard" actuel de la cosmologie. Pendant la plupart de l’histoire de l’Univers, cette expansion n’a cessé de ralentir, sous l'effet de la gravitation de matière et de la radiation. Mais depuis cinq milliards d'années, quand l’Univers avait environ 7 milliards d’années, ce comportement s'est inversé : l'expansion s'est mise à accélérer, probablement sous l'effet d'une mystérieuse force répulsive produite par ce qu’on a appelé : "l'énergie sombre". Des expériences en cosmologie ont permis d’observer cette période d'accélération récente, mais pas la décélération primitive de l’Univers. Réussir à mesurer cette décélération exige de remonter aux premiers milliards d’années de son histoire, de remonter loin dans le temps, donc d’observer loin dans l’espace. Pour cela, des galaxies ne suffisent plus : à des distances aussi élevées, leur luminosité devient trop faible.

 

 

L’expérience H.E.S.S (High Energy Stereoscopic System) en opération avec 4 télescopes à effet Cherenkov atmosphérique depuis 2004 entre dans une deuxième phase avec le démarrage d'un cinquième télescope, le plus grand construit à ce jour. Cette nouvelle phase va ouvrir une nouvelle fenêtre d’exploration du ciel de l’hémisphère Sud et va permettre de découvrir de nouvelles classes de sources de rayons gamma de hautes énergies (trous noirs supermassifs, pulsars, sursauts gammas,…) ainsi que de sonder les lois de fondamentales de la nature (matière noire, invariance de Lorentz,…). Le groupe de l’IRFU a conçu et développé les mémoires analogiques S.A.M. (Swift Analogue Memory) ainsi qu’un système de déclenchement de niveau 2 pour accéder aux énergies aussi basses qu’une vingtaine de GeV.

 



Antares(1) , télescope sous-marin immergé à 2500 mètres dans les abysses méditerranéens, scrute le ciel au travers de la Terre en détectant des neutrinos. Aujourd’hui plusieurs milliers d’entre eux ont été observés, permettant au télescope d’enquêter, comme jamais auparavant, sur la présence de sources de neutrinos de haute énergie dans la Voie lactée. L’expérience participe ainsi à la quête centenaire des origines du rayonnement cosmique.

  

Les neutrinos sont des particules qui interagissent très peu avec la matière. Émis dans les cataclysmes les plus violents de l’Univers, leur détection pourrait permettre de prouver que ces phénomènes sont à l’origine des particules du rayonnement cosmique. Ces dernières bombardent la Terre en permanence après avoir été déviées par les champs magnétiques interstellaires ou intergalactiques, ce qui empêche de déterminer leur origine.

Cela faisait 18 mois que la communauté scientifique attendait les données relevées par Planck, le satellite de l’Agence Spatiale Européenne. L’heure des premiers résultats scientifiques a sonné. La première édition du catalogue de sources compactes (ERCSC, Early Release Compact Sources Catalogue), avec plusieurs milliers de sources détectées par Planck, a été publiée et présentée dans le cadre d'un colloque international qui se tient du 11 au 14 janvier 2011 à la Cité des Sciences et de l'Industrie de la Villette (Paris).


Lire le communiqué de presse commun CNES-CNRS-CEA-ESA


Voir également le programme du colloque

 

 

 

Contact

 

J. Bonnet-bidaud

 

La collaboration Sloan Digital Sky Survey-III, qui regroupe notamment des chercheurs du CNRS et du CEA, vient de mettre à la disposition de la communauté scientifique internationale le plus grand relevé du ciel jamais effectué, à l’occasion de la réunion annuelle de la Société Américaine d’Astronomie qui se tient à Seattle du 10 au 13 janvier 2011. Ce relevé a permis de construire une image et un catalogue de sources d’une grande partie du ciel en cinq couleurs et d’une qualité sans précédent (couverture du ciel, profondeur, précision de la mesure des luminosités). Le catalogue, qui contient environ 470 millions d’objets (galaxies, étoiles, quasars…), fait l’objet d’une publication dans la revue  Astrophysical Journal Supplements

Communiqué de presse national: 15 septembre 2010

 

 

 

 

 

 

 

Le satellite Planck vient de découvrir un superamas de galaxies grâce à son empreinte sur le rayonnement fossile, témoin des premiers instants de l’Univers. Il s’agit d’une première pour le satellite, qui a également révélé, avec une extrême précision, de nouveaux amas de galaxies.

 

Ces objets, qui abritent des centaines voire des milliers de galaxies, sont les plus grandes structures connues de l’Univers. Grâce à ces données, les scientifiques espèrent mieux comprendre comment la matière noire et la matière visible se rassemblent sous la forme de telles structures.

Les supernovas n’échapperont plus aux physiciens !

La collaboration SNLS (Supernova Legacy Survey, au télescope Canada-France-Hawaï) vient de publier une nouvelle méthode permettant de déterminer la vitesse de récession des supernovas, ces « chandelles standard » qui apparaissent dans l'Univers tout au long de son histoire. La nouveauté est de pouvoir étudier ces explosions cataclysmiques sans avoir recours à l'usage de la spectroscopie, trop gourmande en temps d'observation même sur les plus grands télescopes de la planète. Près de la moitié du millier de supernovas qui ont été observées par l'expérience SNLS depuis 2003 grâce à la caméra Mégacam auraient du être abandonnées sans cette nouvelle analyse. Pour les projets futurs qui visent le million de supernovas, ce type de méthode sera absolument indispensable.

La méthode développée vient d'être publiée dans Astronomy & Astrophysics

 

 

 

Figure 1 : Coupole abritant le télescope de 3,60 m de diamètre de l'observatoire du Canada-France-Hawaï, situé sur le Mauna Kea à Hawaï.

Vers la carte haute résolution de la première lumière de l'Univers

Après son lancement le 14 mai 2009, le satellite Planck [1] observe en continu la voûte céleste et cartographie l'ensemble du ciel depuis le 13 août, pour obtenir la première image à très haute résolution de l'aube de l'Univers. Le satellite Planck vient de terminer son premier tour de ciel. Les premières images révèlent des détails insoupçonnés sur l'émission de gaz et de poussières dans notre propre galaxie. Des scientifiques du CEA-Irfu, au sein d'une large collaboration internationale, travaillent actuellement sur l'extraction et l'exploitation des catalogues d'objets détectés par Planck. Ces catalogues intermédiaires sont indispensables pour comprendre et soustraire les émissions parasites en avant plan de la lumière de fond de l'univers, trace fossile de ses premiers âges. Ils permettent également de mieux comprendre la formation des plus grandes structures de l'univers, les amas de galaxies. Les premiers catalogues devraient être publiés en janvier 2011. En revanche, les publications scientifiques définitives sur la première lumière de l'Univers ne devraient intervenir que vers la fin 2012.

Edelweiss-ID : des détecteurs innovants pour traquer la matière noire de la Voie lactée

Les détecteurs de nouvelle génération de l'expérience de recherche de matière noire Edelweiss viennent de livrer leurs premiers résultats. Remarquablement fiables et robustes, ils permettent une excellente suppression de signaux parasites. A peine installés et pas encore au complet, ces nouveaux détecteurs permettent déjà à l'expérience d'être 10 fois plus sensible qu'auparavant dans sa capacité à mesurer une interaction de « wimp»1 , particule massive interagissant faiblement, candidate à la matière noire.

Ce saut de sensibilité permet à l'expérience de rejoindre le « peloton de tête » mondial des expériences cherchant à détecter ces nouvelles particules. Ces premiers résultats viennent d'être soumis à publication dans la revue Physics Letter B 

 Article soumis à à Phys Lett. B en ligne

 En 2010 la masse utile de détecteurs sera triplée pour améliorer encore le potentiel de découverte.

 

Les premières données du sondage Boss (Baryon oscillation spectroscopic survey) ont été obtenues dans la nuit du 14 au 15 septembre. Cette expérience, dédiée à la recherche des oscillations de baryons, ouvre une nouvelle ère de recherche sur l'énergie noire et l'évolution de l'Univers. Elle implique notamment des équipes de l'IN2P3(1)/CNRS, de l'INSU(2)/CNRS et du CEA.

La mesure la plus précise du taux de supernovas à effondrement gravitationnel dans l’Univers 3,7 milliards d’années avant notre ère vient d’être publiée

La collaboration SNLS (Supernova Legacy Survey, au télescope France-Canada-Hawaï) vient d'obtenir la meilleure mesure au monde du taux d'explosion des étoiles massives alors que l'univers n'était âgé que de 10 milliards d'années. Ce résultat, fruit d'un travail mené par une équipe de chercheurs du Service de physique des particules de  l'Irfu 1 au CEA-Saclay sur les trois premières années de données de SNLS, est crucial pour compréhension de l'origine et de l'évolution des éléments chimiques dans le milieu interstellaire.  Cette mesure semble indiquer qu'il y a aujourd'hui 2 à 4 fois moins de supernovas qu'il y a 3,7 milliards d'années. Notre Univers serait-il en train de s'éteindre ?

 

 

 

 

   Des supernovas pour ensemencer l'Univers

 

Une supernova est une étoile qui devient brutalement aussi brillante que toute une galaxie. Vue de la Terre elle apparait comme une étoile nouvelle. Elle correspond en fait à l'explosion d'une étoile, qui s'accompagne d'une augmentation brève mais fantastiquement grande de sa luminosité.

 

Les supernovas sont des événements rares : leur taux est estimé à environ une à trois par siècle dans notre Voie lactée. Mais il est à noter qu'à notre époque aucune supernova n'a été observée dans notre Galaxie depuis l'invention du télescope ! La dernière date du temps de Kepler en 1604.

 

Les supernovas jouent un rôle essentiel dans l'Univers, car c'est lors de leur explosion que les étoiles libèrent les éléments chimiques qu'elles ont synthétisés tout au long de leur vie et en produisent même de plus lourds. Ces éléments sont nécessaires à la constitution de planètes comme la Terre et à l'apparition de la vie. De plus, l'onde de choc de la supernova favorise la formation de nouvelles étoiles en amorçant ou en accélérant la contraction de régions du milieu interstellaire.

Le prix Nobel de Physique 2008 a récompensé Makoto Kobayashi et Toshihide Maskawa pour avoir compris que les intéractions faibles ne traitaient pas de la même manière les particules et les antiparticules1. Dans ce formalisme, l'on s'attend à ce que l'interaction forte introduise le même type d'asymétrie entre quark et antiquark.

Or il n'en est rien ! Problème ! Pour expliquer cette anomalie des interactions fortes, les théoriciens ont postulé l'existence d'une nouvelle particule nommée « axion » du nom d'une lessive car elle permet de laver le problème. Neutre et  légère, cette particule serait analogue à un photon avec lequel elle pourrait se coupler. Elle interagirait en revanche peu avec la matière, si peu que, pour l'instant, elle n'a jamais été observée.

CAST2 est une expérience destinée à détecter cette particule hypothétique qui pourrait être produite en abondance par le Soleil. La collaboration a récemment publié des résultats (« Journal of Cosmology and Astroparticle Physics ») permettant de réduire les limites sur la prédiction de la masse de l'axion. 

La traque aux axions continue grâce à l'amélioration des performances des détecteurs Micromegas de CAST, permettant de diminuer le niveau de bruit de fond extrêmement bas dans le domaine des basses énergies, entre 1 et 10 keV et d'augmenter donc la limite basse de détection de ces hypothétiques particules. 



 

Pourquoi les axions nous intéressent ?

 

 

 

Les axions sont des particules introduites par les théoriciens  pour expliquer l'apparente symétrie entre matière et antimatière dans les interactions fortes. Ces axions, neutres et de très faible masse, sont de plus des candidats pour expliquer la matière noire dans l'univers. Les modèles théoriques et les observations astrophysiques contraignent la masse des axions à un intervalle compris entre quelques µeV/c2 et quelques eV/c2.

L'absence d'observation des axions dans l'expérience CAST a permis d'établir la meilleure limite expérimentale sur la constante de couplage axion-photon,  pour des masses inférieures à 0.4 eV/c2 (figure 1). Pour la première fois cette limite atteint la bande jaune privilégiée par les modèles théoriques. 

 

 

 

 

La matière noire de notre Galaxie n’est pas composée d’astres compacts. Ou, tout du moins, si une telle composante existe, elle y est très minoritaire. Tel est le diagnostic posé après plus de 12 ans d’observations par le programme Eros, auquel le Dapnia a apporté une contribution déterminante. Eros, tout comme d’autres programmes concurrents, trouve son origine dans une proposition astucieuse de recherche de la matière noire formulée par Bohdan Paczy?ski, un théoricien polonais de Princeton.
Communiqué commun : CNRS-CEA du 24 mars 2006

L’expérience Edelweiss II* enregistre, depuis janvier 2006, ses premières impulsions. Edelweiss est une expérience dont le but est la détection des Wimps, particules de matière noire, dans le laboratoire souterrain de Modane (LSM, CNRS-CEA). Malgré d’excellentes performances, Edelweiss I avait une sensibilité limitée par le bruit de fond des neutrons ambiants. Avec Edelweiss II, il va être possible de gagner un facteur 100 sur la sensibilité à la découverte des Wimps et de tester une grande variété de modèles proposés dans le cadre des théories de supersymétrie. Edelweiss II sera inaugurée le 31 mars prochain à Modane.

Communiqué commun CEA/Dapnia - CNRS/IN2P3 - Ifremer du 27 mars 2006

La première ligne de détection du télescope à neutrinos Antares, immergée à 2 500 mètres de profondeur, a été reliée par le robot téléopéré Victor 6000 de l’Ifremer à la station à terre de La Seyne-sur-Mer (Var), le jeudi 2 mars à 12 h 11. Quelques heures plus tard, Antares ouvrait pour la première fois ses yeux vers le ciel et détectait ses premiers muons*. Cette liaison marque la naissance effective du détecteur Antares, le premier télescope à neutrinos de haute énergie en mer profonde dans l’hémisphère nord. Cet évènement récompense une décennie d’efforts d’une vingtaine de laboratoires européens**, parmi lesquels le CEA/Dapnia et des laboratoires du CNRS/IN2P3, instigateurs*** du projet en 1996.

Pour la première fois, on a découvert une exoplanète que l’on peut qualifier de « grande sœur » de la Terre. Les médias se sont faits l’écho à juste titre de cette grande première due à la collaboration internationale « Planet ». Cependant cette découverte n’est pas seulement remarquable par son contenu, mais aussi par la nouveauté de la méthode utilisée, celle des micro-lentilles gravitationnelles. Cette approche est aujourd’hui la seule qui promette de découvrir des planètes similaires à la Terre.

L’axion, hypothétique particule neutre de très faible masse, a été initialement envisagé par les théoriciens afin résoudre certains problèmes liés à la violation de symétrie dans les lois de la physique. Mais les axions pourraient aussi former une partie de la matière noire, cachée, de notre Univers. La collaboration Cast (Cern Axion Solar Telescope), qui utilise dans ses détecteurs la structure originale Micromegas développée par le Dapnia, publie les premiers résultats de sa recherche des axions solaires dans Physical Review Letters. Les axions ne sont pas au rendez-vous, mais Cast apporte de précieux renseignements sur des paramètres clefs de la théorie en abaissant la limite expérimentale d’un facteur 5 pour des masses inférieures à 0,02 électron-volt.
Ou l'écho des étoiles mortes
L'expérience Eros recherche d'éventuels objets sombres et très massifs dans notre galaxie afin d'élucider la nature de la mystérieuse « matière noire », son principal constituant. Les physiciens scrutent pour cela dans le ciel austral les deux Nuages de Magellan dont ils surveillent les étoiles quasiment une à une. Il y a quelques mois, le groupe Eros du Dapnia a remarqué un curieux phénomène : dans une zone du ciel pas plus grande qu'un quart de pleine lune, la luminosité de quelques étoiles parmi des dizaines de millions variait simultanément. Et cette étonnante variation avait lieu sur des arcs de même centre dont la taille grandissait avec le temps à une vitesse supérieure à celle de la lumière (figure 1).

 

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