Le coeur chaud de la supernova SN 1987A

Une équipe internationale, dirigée par des astronomes de l'Université de Cardiff et à laquelle a participé le Département d'Astrophysique du CEA-Irfu, a peut-être repéré pour le première fois le reste compact de la dernière explosion d'étoile visible à l'oeil qui est survenue le 23 février 1987 dans une galaxie voisine, le Grand Nuage de Magellan, à seulement 160 000 années-lumière.  
En utilisant les images à haute résolution du radio-télescope ALMA dans le désert d’Atacama au nord du Chili, l’équipe a découvert une petite zone de poussières, plus chaude que son environnement, et qui pourrait correspondre à l'emplacement supposé de l'étoile à neutrons compacte qui, selon les modèles, aurait du se former lors de l'explosion. Cet objet compact était recherché sans succès depuis plus de 30 ans. Cette découverte indirecte demande néanmoins à être confirmée par des données complémentaires. Ces résultats sont publiés dans la revue The Astrophysical Journal.

Les sursauts gamma sont des  émissions très brèves et extrêmement énergétiques qui accompagnent des cataclysmes astrophsyiques comme la mort d'une etoile massive. Ils sont détéctés jusqu'à présent par des gammas énergétiques dans la phase prompt (<1min) correpondant à l'explositon initiale et dans une phase rémanente correspondant à l'expansion de l'onde de choc dans le milieu. Dans cette phase rémanente, on détecte des gammas de basse énergie, du rayonnement X et visible.  Les sursauts gamma peuvent-ils aussi émettre des rayons gammas de très haute énergie plusieurs heures  après le sursaut initial? jusqu'à présent on ne l'avait jamais encore détecté.  Cette découverte a été faite en juillet 2018 par le télescope de 28 mètres du réseau H.E.S.S. en Namibie et a fait l'objet d'une publication dans Nature. Ces nouveaux résultats de H.E.S.S. permettent de poser des contraintes fortes sur les modèles de sursauts gammas cherchant à expliquer ces phénomènes d'accélérateurs cosmiques.

Le 20 juillet 2018, le détecteur de sursauts gamma GBM (Gamma-Ray Burst Monitor) à bord du satellite Fermi, suivi quelques secondes plus tard par le télescope spatial Swift, a émis une alerte sur les réseaux mondiaux concernant un sursaut gamma, appelé alors GRB 180720B. Dans la foulée de cette alerte, plusieurs observatoires terrestres ont immédiatement pointé dans la direction du sursaut gamma. Pour le réseau de télescopes H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System), cette position sur le ciel n'était observable qu'une fois la nuit tombée, 10 heures plus tard. Néanmoins, l'équipe de H.E.S.S. a décidé d'observer cette position afin de rechercher une éventuelle émission durant la phase rémanente du sursaut.

Suivi en lumière visible d'ondes gravitionnelles

Les premiers résultats de la mission spatiale SVOM (pour Space-based multi-band astronomical Variable Objects Monitor) viennent de tomber avant même le lancement prévu fin 2021. Comment est-ce possible ? Tout simplement parce que cette mission franco-chinoise ambitieuse, qui a pour l'objet l'étude des sursauts de rayons gamma de l'Univers, met également au point un réseau de caméras au sol capable de détecter l'émission de lumière visible qui suit le déclenchement de ces sursauts, les plus violentes explosions connues. Ce réseau baptisé GWAC (pour Ground-based Wide Angle Camera ou Caméra sol à grand champ) est déjà en opération à l'observatoire Xinglong au Nord-est de Pékin (Chine). Sa version de test, baptisé Mini-GWAC, a conclu avec succès une première campagne de surveillance et de suivi en temps réel des sources d'ondes gravitationnelles découvertes par les installations LIGO (USA) et Virgo (Italie). Ces résultats sont en cours de publication dans la revue Research in Astronomy and Astrophysics.

L'expérience LISA pourra déceler des planètes dans toute la Galaxie

Les récentes détections d'ondes gravitationnelles, infimes vibrations de l'espace-temps, ont ouvert une nouvelle fenêtre d'observation de l'Univers. Deux chercheurs, dont Camilla Danielski du Département d'Astrophysique du CEA-Irfu, viennent ainsi de démontrer que, lorsque ces ondes sont émises par deux étoiles denses en orbite, elles peuvent être perturbées si une planète est en orbite autour de ce couple d'étoiles. Les ondes gravitationnelles, qui peuvent être détectées jusqu'à de grandes distances, sont alors un moyen infaillible de détecter une population de planètes inaccessibles autrement. L'expérience LISA (Spatial Interferometer with laser antenna), dont le lancement est prévu en 2034, pourra ainsi réveler des planètes géantes dans toute la Galaxie et même dans les galaxies compagnons des Nuages de Magellan. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature Astronomy du 8 juillet 2019.

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).

Des cheminées de gaz chaud découvertes de part et d'autre du centre galactique

Grâce aux satellites en rayons X Chandra et XMM-Newton, une équipe internationale à laquelle a participé le Département d'Astrophysique du CEA-Irfu vient de découvrir l'existence de deux bulles de gaz chaud s'échappant jusqu'à des distances d'environ 500 années-lumière, de part et d'autre de l'environnement du trou noir massif situé au centre de notre Galaxie. Tout comme les messages des amérindiens transmis par des bulles de fumée visibles de loin, ces « cheminées de gaz chaud » nous renseignent aujourd'hui sur l'activité passée intense du trou noir et des régions centrales de notre Galaxie. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature du 21 mars 2019.

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. 

Remarquable série de résultats scientifiques de cet observatoire spatial X japonais

Malgré une courte période d’avtivité, le satellite à rayons X Hitomi de l’agence spatiale japonaise Jaxa a montré tout son potentiel et livré aux scientifiques des informations de premier plan d’objets célestes très divers. Dans une série de travaux basés sur ces observations et réunis dans un numéro de la revue PASJ (Publications of the Astronomical Society of Japan), la collaboration Hitomi à laquelle est associée une équipe de chercheurs du Département d’Astrophysique du CEA-Irfu de Saclay expose une série de résultats mettant notamment à profit l’exceptionnel pouvoir de résolution spectrale du spectromètre SXS, l’un des instruments de la plateforme. Au cœur de ces travaux figurent notamment une étude détaillée de la dynamique du plasma au centre d’un noyau actif de galaxie, celle de l’éjecta de plusieurs restes de supernova, de la composition de matière dans un système binaire ou la recherche de  corrélations X et radio du pulsar du Crabe grâce à la haute résolution temporelle. Effectuées lors de la phase de vérification et d’étalonnage des instruments avant la défaillance du satellite, ces observations et la qualité des résultats obtenus confortent la communauté dans le choix des instruments et dans celui du fort potentiel de la haute résolution spectrale X. Cette démarche est au cœur du successeur de Hitomi, Xrism (X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission) et du projet spatial majeur X de l’ESA Athena dans lequel le CEA est fortement impliqué.

Un prototype de la caméra MXT est arrivé au CNES de Toulouse le 25 octobre 2018. Il s’agit du « Structural and Thermal Model », qui sera intégré au télescope qui partira en Chine pour être monté sur le modèle de qualification du satellite SVOM.

 

L’objectif de ce modèle est de valider la conception thermo-mécanique de la caméra. Il permet également de vérifier la capacité de fabrication et d’assemblage des différents constituants, qui représentent plus de 1000 éléments. Le modèle réalisé comprend tous les sous-ensembles de la caméra avec un bon niveau de représentativité du modèle de vol, aussi bien sur sa conception externe (interfaces avec le télescope) que sur sa conception interne (harnais, connecteurs…). Les parties électriques (détecteur, cartes d’électronique, moteur) sont remplacées par des masselottes et des chaufferettes pour simuler leurs comportements mécaniques et thermiques. 

Les premiers photons X sur le télescope MXT de SVOM ont été détectés fin aout août avec un modèle d’ingénierie. Ceci représente une étape importante dans la validation de la conception de la chaîne de détection.
Le télescope MXT, pour Microchannel X-ray Telescope, équipera le satellite SVOM, une collaboration entre la France (CNES) et la Chine (CAS, CNSA) destinée à étudier les sursauts gamma. Il détectera les rayons X mous (0,2 à 10 KeV) au début de l’émission rémanente, et permettra de fournir une meilleure position du sursaut. L’Irfu est chargé de la conception de la caméra de ce télescope, intégrant un spectro-imageur X de type pnCCD monté sur une céramique dédiée. Le modèle de vol du détecteur doit être intégré dans la caméra dans un an.

 

La quête des sources de rayons cosmiques, c’est à dire des particules hadroniques arrivant sur Terre avec des énergies tellement grandes qu’elles dépassent largement celles des collisionneurs créées par l'homme comme le LHC, est en cours depuis plusieurs décennies. Bien qu'étant ultra-relativistes, les rayons cosmiques sont déviés par les champs magnétiques présents dans tout l'Univers et leur direction d’arrivée sur la Terre ne nous renseigne donc plus sur leur origine. À ce jour, aucune source n’a pu être identifiée dans la distribution des directions d'arrivée des rayons cosmiques et le mécanisme d’accélération de ces particules reste encore une énigme.

Mais depuis quelques années, un nouvel angle d’attaque sur le mystère de l’origine des rayons cosmiques a été développé (par les physiciens de l’Irfu entre-autres): "l'astronomie multi-messager". Dans ces recherches, on utilise le fait que les interactions fondamentales créent des liens uniques entre différentes particules de haute énergie. Des observations combinées de divers messagers cosmiques pourraient en effet fournir les informations manquantes sur les phénomènes violents à l'origine des rayons cosmiques.

 

La collaboration internationale H.E.S.S., à laquelle contribuent le CNRS et le CEA, publie le bilan de quinze années d’observations en rayons gamma de la Voie Lactée. Ses télescopes installés en Namibie ont permis d’étudier des populations de nébuleuses à vent de pulsar, des restes de supernovæ, mais aussi des micro-quasars, jamais détectés en rayons gamma. Ces études sont complétées par des mesures précises comme celles de l'émission diffuse au centre de notre galaxie. Cet ensemble de données servira désormais de référence pour la communauté scientifique internationale. Quatorze articles, soit le plus vaste ensemble de résultats scientifiques dans ce domaine, sont publiés le 9 avril 2018 dans un numéro spécial de la revue "Astronomy & Astrophysics".

Les tout premiers instants d'une explosion d'étoile

Une observation sans précédent d’une supernova, explosion d’une étoile massive, a pu être capturée à ses tous débuts par un astronome amateur, au moment exact où la supernova est devenue visible dans le ciel. Ces données précoces et des observations complémentaires obtenues par une batterie de télescopes ont permis à une équipe de chercheurs de plusieurs instituts du CONICET [1], en Argentine, et du Département d'Astrophysique-Laboratoire AIM (CEA-CNRS-Paris Diderot) en France, de tester pour la première fois, les prédictions théoriques sur l'évolution initiale de telles explosions stellaires. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature du 22 février 2018.

La découverte d'un nouveau type d'onde gravitationnelle

A l'aide d'une panoplie de détecteurs développés avec la participation du CEA, les physiciens du CEA-Irfu ont scruté la région d'où est provenue l'onde gravitationnelle détectée le 17 août 2017 par les installations LIGO-VIRGO. A la différence des quatre détections précédentes d'ondes du même type découvertes depuis 2015, cette nouvelle vibration de l'espace,  baptisée GW170817, s'avère d'origine différente. Elle ne résulte pas de la fusion de deux trous noirs mais de deux étoiles les plus denses connues, les étoiles à neutrons.
Grâce au satellite INTEGRAL en orbite, les astrophysiciens du Département d'Astrophysique-Laboratoire AIM (CEA, CNRS, Univ Paris Diderot) ont pu montrer que l'onde GW170817 s'était accompagnée d'un sursaut gamma, brève bouffée de rayons gamma  émise juste 2 secondes après la fusion des deux astres. En pointant en un temps record un des télescopes géants du VLT (Chili), ils ont également participé à l'étude de l'émission de lumière visible qui a suivi la fusion, montrant notamment que cette lumière n'était pas polarisée.
Les physiciens du Département de Physique de Particules du CEA-Irfu ont également analysé les données obtenues par les experiences ANTARES pour la recherche de neutrinos et H.E.S.S. pour la recherche de rayons gamma de très hautes énergies, montrant que l'onde GW170817 n'avait pas fourni d'émission détectable.

L'étude de ce phénomène nouveau, jamais observé jusqu'ici directement, offre de nombreuses perspectives excitantes pour l'astrophysique comme la possibilité de mieux comprendre l'origine des éléments très lourds de l'Univers et même la capacité de mesurer de façon totalement indépendante le taux d'expansion de l'Univers.
L'ensemble de ces résultats exceptionnels est publié le 16 octobre 2017 dans une série d'articles présentés dans les revues Nature, Astrophysical Journal et Physical Review Letters.

Les quatre caméras des « petits » télescopes de l’observatoire H.E.S.S. ont vu leur électronique de lecture rajeunir de plus de 15 ans afin de rejoindre les performances du cinquième télescope, installé en 2012. Cette mise à niveau va permettre aux cinq télescopes de travailler de concert et d’optimiser l’identification des photons de hautes énergies du cosmos. L’opération de jouvence, démarrée en 2013, a permis  l’installation des 4 caméras durant l’été dernier  pour aboutir, en janvier 2017, à une première observation simultanée d’une première source gamma. La mise en service de ces caméras aux performances et à la fiabilité améliorées laisse présager une belle moisson de nouveaux résultats scientifiques pour H.E.S.S. qui représente 1/4 des télescopes gammas en fonctionnement dans le monde. Ce succès a aussi validé l’utilisation de la puce NECTAr, conçue par l’Irfu pour équiper une quinzaine de caméras du futur observatoire CTA dont l’installation débutera en 2018.

 

Après douze ans de bons et loyaux services dans l’environnement poussiéreux et hostile des hauts plateaux namibiens, quatre des cinq caméras de l’expérience H.E.S.S devaient être remplacées. Ces quatre caméras installées en 2005 par des équipes du CNRS/IN2P3 et du CEA/Irfu, ont été à l’origine de la découverte de plus de 100 objets astrophysiques qui émettent des photons de très haute énergie (au-delà de quelques dizaines de GeV), de l’élaboration de la première carte en 2004 du plan galactique (voir l’image à la fin du texte) à ces énergies, de la découverte d’une source de rayons cosmiques au PeV (1015 eV) et de bien d’autres observations.

Découverte d’un vaste nuage d’hydrogène ionisé par deux quasars dans un amas de galaxies de l’Univers distant

Une équipe internationale menée par des chercheurs du Service d’Astrophysique/ Laboratoire AIM du CEA-Irfu a découvert une gigantesque nébuleuse de gaz ionisé, plus  de 300 000 années-lumière, au sein de l’amas de galaxies distant CL J1449+0856. Elle a été détectée à partir de l’émission d’une raie de l’hydrogène provenant d’un énorme réservoir de gaz chaud, probablement ionisé par les radiations de deux quasars lumineux de l’amas. C’est la première fois qu’une telle émission est observée dans un milieu où est également présent un plasma chaud détecté en rayons X. Les chercheurs pensent que l’interaction entre ces deux composantes gazeuses provoque une évaporation très rapide de la nébuleuse observée, ce qui implique des mécanismes très efficaces pour l’alimenter de manière continue. Cette découverte suggère aussi l’existence d’un lien physique très fort entre les nébuleuses géantes Lyman alpha et les premières étapes de l’évolution des plus grandes structures gravitationnellement liées de l’Univers. Ces travaux sont publiés par Francesco Valentino et ses collaborateurs dans la revue The Astrophysical Journal.

La dynamique du milieu intra-amas mesurée en rayons X avec une précision inégalée par le satellite Hitomi

L’étude de la dynamique du gaz des amas de galaxies est un outil majeur pour comprendre la formation et l’évolution de ces grandes structures de l’Univers.
Effets de la gravitation exercée par la matière noire de l’amas et de l’activité de ses galaxies, les mouvements du plasma  sont un ingrédient pour la compréhension de ces systèmes. Grâce à ses performances sans précédent en spectroscopie des rayons X, l’instrument SXS à bord du satellite Hitomi a permis de mesurer très précisément la vitesse de plusieurs éléments chimiques du milieu intra-amas dans la région centrale de l’amas de galaxies de Persée. Malgré la présence dans cette région du très actif noyau de galaxie NGC1275, les mouvements du gaz indiquent de manière surprenante que le milieu intra-amas est relativement calme et que la turbulence ne joue pas un rôle majeur. Ce travail est publié dans la revue Nature du 7 juillet 2016 par la collaboration Hitomi à laquelle participe des chercheurs du Service d’Astrophysique du CEA-Irfu de Saclay. Il résulte d’observations effectuées par le satellite Hitomi avant sa défaillance fin mars 2016.

Une instabilité pour déclencher la rotation initiale d’une étoile à neutrons

La vitesse de rotation d’une étoile à neutrons à sa naissance est un paramètre important pour mieux comprendre la nature du progéniteur et les processus dynamiques liés à l’effondrement du cœur de l’étoile massive. Néanmoins,  la distribution des vitesses de rotation initiale des pulsars est loin d’être connue. Une étude menée par R. Kazeroni du Service d’Astrophysique/laboratoire AIM (SAp) du CEA-Irfu et ses collaborateurs vient, via des simulations numériques, de souligner l’efficacité de l’instabilité hydrodynamique appelée « SASI » pour impulser une vitesse de rotation à l’étoile à neutrons. De manière surprenante, les simulations montrent que dans certains cas, la rotation de l’objet compact est de sens opposé à la perturbation qui lui donne naissance. Ces travaux sont publiés dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Modèle réduit en laboratoire de la chute de matière sur une étoile dense magnétique

Une collaboration internationale de chercheurs (Oxford, AWE, CEA, LULI, Observatoire de Paris, Université du Michigan, Université de York et STFC Rutherford Appleton Laboratory) a réussi pour la première fois à générer en laboratoire l'analogue d'un choc violent qui est produit quand de la matière tombe à très grande vitesse sur la surface d'étoiles extrêmement denses appelées naines blanches. Comprendre la physique de ces objets astrophysiques est crucial car ils sont considérés comme les progéniteurs possibles des supernovae thermonucléaires, des supernovae utilisés dans la cosmologie pour mesurer l'accélération de l'expansion de l'univers liée à l'énergie sombre. Pour effectuer cette expérience d'astrophysique, les scientifiques ont utilisé  le laser de puissance Orion, basé à Aldermaston (Royaume-Uni) pour bombarder une cible de taille millimétrique et produire un flux de plasma chaud pour une durée extrêmement courte (moins de 100 nanosecondes) [1].
Des travaux théoriques récents ont montré, à l'aide de lois d'échelle adaptées, que cette expérience à très petite échelle est équivalente à son homologue cosmique ce qui en fait une réplique valable. Les lasers de puissance peuvent donc être utilisés comme des microscopes pour explorer, au cours de quelques nanosecondes, les processus de rayonnement de haute énergie venant de régions largement non résolues par les télescopes les plus puissants. L'expérience Orion, qui est la première expérience académique sur cette installation, confirme que ces chocs d'accrétion, qui jusqu'ici ne pouvaient pas être accessibles au laboratoire il y a quelques années à l'échelle exacte, peuvent maintenant y être produits couramment. Ces résultats sont publiés dans Nature Communications du 13 juin 2016.

Exceptionnelle activité d’un trou noir galactique révélée par le satellite INTEGRAL

L’analyse de l’émission X et gamma du microquasar V404 Cygni a conduit à la découverte d'intenses bouffées de plasma constitué d’électron et de son antiparticule le positron. Ce résultat, basé sur l'étude par le spectromètre INTEGRAL/SPI d'un remarquable épisode d'activité de la source en juin 2015 désigne les microquasars comme des pourvoyeurs efficaces de plasmas de paires, des « usines à antimatière » en quelque sorte. La source V404 Cygni montre une variété de sursauts, certains atteignant des records de brillance en rayons gamma. Cette diversité est décrite en détail dans une étude complémentaire qui conclut que dans le système, des éjections de matière à très grande vitesse ont lieu dans des jets. Ces différentes observations et leurs implications soulignent le rôle clé joué par les microquasars pour expliquer l’émission diffuse de photons d’annihilation observée dans le bulbe galactique et l’origine encore mal connue du fond diffus gamma galactique. Ces travaux sont l’objet de deux publications, l’une placée sous la direction d’une équipe du Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) de Garching en Allemagne et publiée dans la revue Nature du 29 février 2016 et la seconde pilotée par les chercheurs du Service d’Astrophysique/laboratoire AIM (SAp) du CEA-Irfu et parue dans le journal Astronomy and Astrophysics fin 2015. Dans les deux cas, les chercheurs du MPE et du SAp se sont associés pour exploiter avec d'autres collaborateurs les données du satellite Integral, seul observatoire actuellement en opération permettant de mener à bien de telles études.

Lancement du satellite d’astronomie X japonais Astro-H

Le satellite d’astronomie X Astro-H a été lancé avec succès par l’agence spatiale japonaise JAXA le 17 février à 17h45 (9h45 à Paris) depuis le centre spatial de Tanegashima au Japon. La mise à poste du satellite sur son orbite nominale s’est effectuée 14 min plus tard et les premières étapes de vérification des différents systèmes ont débuté. ASTRO-H est une mission JAXA/NASA avec un leadership japonais et une participation de l’ESA. Cet observatoire de nouvelle génération a pour objectif scientifique l’observation et l’étude de l’Univers chaud et énergétique. Astro-H embarque plusieurs instruments qui combinés couvrent la gamme d’énergie 0.3-600 keV. Parmi les instruments, le plan de détection du spectromètre SXS est équipé de matrices de microcalorimètres X, une première dans ce domaine. Ces détecteurs, refroidis à une température proche du zéro absolu, permettront d’atteindre des performances inégalées en terme de résolution spectrale, supérieure d’un ordre de grandeur aux instruments actuellement en opération. Le CEA participe à la mission via la contribution de l’ESA et du CNES, tant du point de vue expérimental que scientifique.

 

Une fois le satellite placé sur son orbite et selon une tradition japonaise, la JAXA a dévoilé le nom maintenant d'usage de la mission, "Hitomi".

 

Changement de polarisation optique et gamma observé au centre de la nébuleuse du Crabe

La nébuleuse du Crabe, longtemps considérée comme une source étalon, a vu récemment ce statut remis en cause par l’observation en gamma de haute énergie de brefs et intenses épisodes d’activité. Une équipe franco-irlandaise (Service d’Astrophysique du CEA–Irfu et du centre for Astronomy de l'Université de Galway) vient de renforcer ce constat en mettant en évidence pour la première fois un changement de polarisation de la lumière visible et gamma de la région centrale de la nébuleuse entre 2005 et 2012. Ce résultat est le fruit d’un programme combinant des observations menées au télescope de 5 mètres du mont Palomar avec le polarimètre GASP de l’Université de Galway, par le satellite d’astronomie gamma Integral et provenant de données d’archives du télescope spatial Hubble. Le changement de polarisation observé pourrait être lié selon les chercheurs à des processus de réarrangement du champ magnétique et leurs effets sur un flux de particules énergétiques dans une région proche du pulsar central. Ces travaux sont publiés dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society et objet de l’image du mois sur le site Integral de l’Agence spatiale européenne (ESA).

L’énigme des oscillations quasi-périodiques des naines blanches magnétiques

Une équipe de chercheurs du CEA (Service d'Astrophysique-Laboratoire AIM et CEA-DAM) et du laboratoire Univers et Théories (LUTH) de l’Observatoire de Paris vient de publier une étude complète d’un phénomène énigmatique d’oscillations quasi-périodiques à la surface d’étoiles naines blanches fortement magnétiques, encore appelées « Polars ». Ces étoiles très denses sont en orbite autour d’un compagnon et capturent sa matière qui tombe en chute libre vers les pôles de la naine blanche. Fortement chauffé jusqu’à des millions de degrés, ce gaz chaud ou plasma émet alors principalement des rayons X.  Grâce à des simulations numériques du comportement du plasma, les chercheurs ont pu reconstituer l’existence de fortes instabilités conduisant à des oscillations rapides de la luminosité en seulement quelques secondes. Pourtant, en utilisant la base de données du satellite XMM-Newton, ces oscillations ont été recherchées sans succès dans l’émission de rayons X de plus de 20 Polars.

Cette contradiction conduit aujourd’hui les chercheurs  à proposer d’étudier le phénomène en laboratoire. En effet, des conditions physiques analogues peuvent être actuellement reproduites grâce aux lasers de grande puissance comme le LMJ (Laser Mégajoule) [1]. La maitrise des instabilités de plasma est un élément clé pour la fusion nucléaire par confinement magnétique (expérience ITER) ou inertiel (laser Mégajoule) et les instabilités de naines blanches pourraient contribuer à une meilleure compréhension de ce  phénomène général. Ces résultats font l’objet de deux articles publiés dans la revue Astronomy & Astrophysics de juillet 2015.

 

voir la vidéo de la simulation numérique
Etat d’avancement et rôle du CEA dans cette mission spatiale sino-française

L’année 2014 a été particulièrement riche en actualité pour la mission SVOM (Space-based multiband astronomical Variable Objects Monitor),  projet spatial sino-français dédié à l’étude des sursauts gamma. Les décisions prises au plus haut niveau, des gouvernements en mars puis des agences spatiales respectives en août, ont permis de relancer la mission après une période de gel du projet. Suite à cette nouvelle donne, deux réunions importantes des consortium (kick-off meeting) se sont tenues en septembre, l’une à Toulouse au CNES et la seconde en Chine à Shanghai. Ces rencontres, basées principalement sur les aspects techniques de la mission constituent une étape importante vers la réalisation de la charge utile du satellite dont le lancement est fixé à 2021. Le CEA-Irfu et son Service d’Astrophysique joue un rôle majeur, en partenariat avec le CNRS, dans ce projet placé coté français sous maitrise d’œuvre du CNES.

Installé en Namibie, l'observatoire HESS-II vient de détecter des milliers de rayons gamma en provenance du pulsar Vela situé à environ 1 000 années-lumière de la Terre dans la Voie Lactée. Grâce à un nouveau télescope géant, il a ainsi repéré son premier pulsar, une étoile à neutrons qui correspond au cœur effondré d'une étoile massive après son explosion en supernova. Il s'agit du second, après celui du Crabe en 2008, à avoir été décelé par un télescope gamma au sol. Ces premiers résultats issus de la collaboration H.E.S.S., à laquelle contribuent le CNRS et le CEA, augurent la possibilité d'explorer et de dévoiler de nombreuses sources cosmiques de rayons gamma (trous noirs supermassifs, amas de galaxies, supernovae, étoiles doubles et pulsars en particulier) dans un nouveau domaine en énergie.

 

Résultat de l’engagement de l’Irfu dans la phase préparatoire de KM3NeT, à laquelle l’institut a participé entre 2006 et 2012, un photodétecteur de nouvelle génération a été déployé en avril dernier sur l’infrastructure Antarès. Après plusieurs mois, le succès de l’opération démontre la maîtrise des nouvelles technologies temps réel développée au Service d’électronique et d’informatique de l’Irfu.

Les neutrinos sont des particules qui interagissent très peu avec la matière. Émis dans les cataclysmes les plus violents de l’Univers, ils pourraient permettre de prouver que ces phénomènes sont aussi à l’origine du rayonnement cosmique, essentiellement des protons, qui bombardent la Terre en permanence. La détection des neutrinos est un défi qu’il n’est possible de relever qu’avec d’immenses détecteurs, protégés de ce même rayonnement cosmique. Antares, installé à 40 km au large de Toulon, s’en protège grâce à un blindage naturel de 2000 mètres d’eau. La lumière produite par le passage des particules est observée par 885 « yeux » répartis dans un volume couvrant quatre fois la surface d’un terrain de football, et aussi haut que la tour Eiffel. Antares, dont l’installation s’est achevée en 2008, observe entre 5 et 10 neutrinos par jour, un taux compatible avec le fond ne neutrinos produits par le rayonnement cosmique dans l’atmosphère. Malgré ce succès expérimental, l’astronomie neutrino ne pourra prendre son essor qu’avec un volume instrumenté des centaines de fois plus important, comportant des dizaines de milliers d’yeux électroniques. C’est dans ce contexte que s’est formé le consortium européen KM3NeT, au sein duquel la prochaine génération de télescope à neutrino a été étudiée, entre 2006 et 2012. Au sein de ce consortium l’Irfu a participé entre autre au développement d’une nouvelle génération de photodétecteurs et en particulier à son électronique de traitement du signal.

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.

 

 

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.

Les nuages moléculaires révèlent une éruption géante du trou noir central de la Galaxie

Le trou noir central de la Galaxie, aujourd'hui étonnamment calme, a connu il y a plusieurs centaines d'années un violent regain d'activité. C'est en étudiant l'émission à haute énergie des nuages moléculaires situés dans les régions centrales de la Galaxie, qu'une équipe internationale dirigée par des astrophysiciens du laboratoire APC et incluant des chercheurs du Service d'Astrophysique du CEA-Irfu est arrivée à cette conclusion. Les chercheurs ont découvert des variations étonnantes, dont certaines semblent se propager  par un effet d'optique à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière. Elles révèlent une éruption géante amorcée il y a environ 400 ans. Le puissant sursaut est visible aujourd'hui après sa réflexion sur des nuages moléculaires qui jouent le rôle de miroirs célestes. L'histoire récente ainsi retracée montre que le trou noir du centre galactique n'est pas aussi éloigné de la famille des trous noirs supermassifs des noyaux actifs de galaxies. Ces travaux, basés sur deux programmes à long terme sur les satellites XMM-Newton et Integral, font l'objet de deux publications complémentaires dans la revue The Astrophysical Journal.

Voilà maintenant plus de deux ans qu'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 plus d'un millier d'entre eux ont déjà été observés, permettant de dresser les premières vues du ciel et d'y rechercher des neutrinos cosmiques très énergétiques, témoins des phénomènes les plus violents de l'Univers.

 

 

Les neutrinos sont des particules qui interagissent très peu avec la matière. Émis dans les cataclysmes les plus violents de l'Univers, ils pourraient permettre de prouver que ces phénomènes sont à l'origine du rayonnement cosmique, essentiellement des protons, qui bombardent la Terre en permanence. Ces protons nous parviennent en effet déviés par les champs magnétiques intergalactiques, nous empêchant de déterminer leur origine.

 

La détection des neutrinos est un défi qu'il n'est possible de relever qu'avec d'immenses détecteurs, protégés de ce même rayonnement cosmique. Antares, installé au large de Toulon, s'en protège grâce à un blindage naturel de 2000 mètres d'eau. Le déploiement du détecteur, qui a duré deux ans, s'est achevé en mai 2008. Aujourd'hui 885 « yeux », leur électronique de lecture et de traitement des données, - imaginés et construits à CEA-Irfu - s'égrènent par groupe de trois le long de 12 lignes souples de 450 mètres de haut. Ces lignes, plus hautes que la tour Eiffel, sont ancrées aux fonds marins sur un espace équivalent à 4 terrains de football.

Á la recherche des neutrinos cosmiques

Dans la nuit du 30 mai 2008, les deux dernières lignes d’Antares ont été connectées et mises sous tension à 2500 m au fond de la Méditerranée, portant à douze le nombre de lignes de détection et marquant ainsi la fin de la construction du plus grand télescope sous-marin à neutrinos jamais réalisé.
Immergées quelques semaines plus tôt, ces lignes rejoignent celles qui, depuis 2006, permettent de traquer les neutrinos cosmiques, témoins des phénomènes les plus violents de l’Univers.
Cet événement récompense les efforts de la collaboration européenne1 Antares, et en particulier ceux du CEA-Irfu, acteur majeur par ses contributions.

INTEGRAL révèle une fabrique d’anti-électrons dans la Voie lactée (10 Janvier 2008)

Une surprenante asymétrie dans la répartition d’antimatière au cœur de la Voie lactée vient d’être découverte. En cumulant l’ensemble des données recueillies depuis cinq ans par le spectrographe SPI, une équipe européenne incluant des chercheurs du Service d'Astrophysique du CEA-IRFU a mis en évidence une émission de photons gamma à une énergie très précise, signature de la présence d’antimatière, dont la morphologie est très proche de la répartition dans le ciel d’un certain type de sources X binaires. Longtemps suspectée pour être une fabrique efficace de positons, cette classe d’objets expliquerait l’origine de l’antimatière dans les régions internes du disque de la Galaxie. Ces travaux sont publiés dans la revue Nature datée du 10 janvier 2008.

AudioEcouter l'interview de Bertrand CORDIER (SAp) : cliquer ICI  

Dans le numéro de Nature du 9 février 2006, la collaboration Hess annonce la détection d’une source de rayonnement gamma diffus au voisinage du centre de la Voie lactée. Ce réseau de 4 télescopes d’un genre particulier permet de cartographier pour la première fois les sources de rayons gamma dans l’Univers. Les propriétés de ces rayons gamma suggèrent qu’ils sont produits par des protons fortement accélérés au centre de la Galaxie. Des chercheurs du Dapnia participent à la collaboration internationale Hess, située en Namibie, qui rassemble une centaine de physiciens et d’astrophysiciens.

La carte complète vue par le satellite Integral

Pour la première fois, une équipe européenne, à laquelle participe le service d'astrophysique (SAp) du Dapnia, vient de dévoiler la répartition dans notre Galaxie de l'antimatière [1], une forme miroir étonnante de la matière. C'est grâce au spectrographe SPI [4] placé à bord du satellite Integral qu'a pu être constituée la carte complète de certains rayons gamma caractéristiques de l'annihilation matière-antimatière. Cette carte révèle que notre Galaxie produit en permanence plus de 16 milliards de tonnes de particules d'antimatière par seconde, principalement en son centre (pour 80%) mais également le long de son disque équatorial (pour 20%). Cette antimatière est constituée de positons (anti-électrons) [2]. L'étude européenne a pu démontrer que l'antimatière du disque provenait probablement de la désintégration de matière radioactive produite par les étoiles massives. En revanche la source d'antimatière du centre reste encore un épais mystère. Ces résultats sont publiés dans la revue Astronomy & Astrophysics.

 

 

Retour en haut