Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Une collaboration internationale menée par une équipe du Département d’Astrophysique/Laboratoire AIM du CEA-Irfu a permit de prédire et de caractériser la signature attendue des champs magnétiques internes dans les étoiles grâce à leur sismologie - l'astérosismologie. Cette étude démontre que grâce aux excellentes données des satellites Kepler (NASA), TESS (NASA) et bientôt PLATO (ESA), nous sommes potentiellement en mesure de détecter les champs magnétiques dans le coeur des étoiles géantes rouges (qui sont les descendantes des étoiles de faibles masses telles que notre Soleil et de masses intermédiaires inférieures à ~8 masses solaires). Les résultats sont publiés dans deux articles dans la revue spécialisée Astronomy & Astrophysics.

Une équipe internationale incluant des chercheurs du département d'Astrophysique (DAp) du CEA/Irfu, travaillant en particulier au laboratoire Dynamique des Etoiles, des (Exo)planètes et de leur Environnement (LDE3) a pu démontrer que les étoiles tournent plus vite que prévu en vieillissant. En utilisant des techniques d'astérosismologie (l’étude des étoiles grâce à la caractérisation de leurs modes d’oscillation par des méthodes sismiques), les chercheurs ont pu analyser pour la première fois un échantillon complet de 91 étoiles couvant des âges de 1 à 13 milliards d’années. Ces données confirment bien que les étoiles les plus âgées freinent moins efficacement leur rotation. Cette découverte apporte un nouvel éclairage sur l’évolution de la rotation des étoiles et devrait permettre de calculer plus exactement l’âge des étoiles. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature Astronomy du 22 avril 2021.

Le télescope à rayons X MXT, un des deux instruments sous responsabilité française de la charge utile du satellite sino-français SVOM, vient de franchir une étape importante dans le déroulement du projet, l’étalonnage de l’instrument. Trois semaines intensives de travail, entre octobre et novembre 2021, ont été nécessaires aux équipes du CNES et du CEA, avec le support de l’IJCLab d’Orsay, de l’Université de Leicester et du MPE de Garching pour vérifier que ses performances répondaient parfaitement au cahier des charges scientifiques. Cet étalonnage, opéré à l’installation Panter du MPE, s’est déroulée au cours de plusieurs phases, toutes franchies avec succès. MXT est dorénavant prêt pour poursuivre son aventure, l’intégration sur la plateforme du satellite SVOM en 2022, le lancement à bord de la fusée Longue Marche 2C en 2023 pour ensuite accomplir avec les autres instruments du projet sa mission de découverte des sursauts gamma et du ciel transitoire.

Une caméra à rayons X, destinée à équiper le satellite sino-français SVOM, vient d'être assemblée et livrée par les scientifiques et techniciens de l'Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'univers (CEA/ Irfu). Ce prototype de haute technologie captera les photons de haute énergie (rayons X) émis lors de l’explosion d’étoiles massives ou la fusion d'astres denses. La caméra, particulièrement compacte et innovante, intègre dans un volume très limité, une chaîne de détection complète, un contrôle thermique actif et une roue à filtre. Elle va être placée au foyer d'un télescope de 1,15 m de longueur pour constituer le MXT (Microchannel X-ray Telescope). Avec un champ de vue de 1 degré carré, pour seulement 35 kg de masse, le télescope MXT, muni d'une optique originale "à facettes"inspirée des yeux de homard, va permettre de localiser, avec une précision meilleure que 2 arcmin, la position des plus puissantes explosions cosmiques de l’Univers. Après différents  essais, dont une campagne d’étalonnage en Allemagne, l'ensemble sera expédié en Chine en novembre 2021 pour être intégré au satellite SVOM dont le lancement est prévu fin 2022.

Voir : la vidéo du montage de la caméra MXT en salle blanche

Après une dizaine d’années de R&D et de prototypage en collaboration avec la société TRONICO à Nantes, l’Irfu a livré, en juillet 2021 au CERN, l’ensemble des 74 nouvelles cartes de déclenchement du calorimètre électromagnétique d’ATLAS, produites par la société FEDD. Ces cartes sont destinées à la refonte du système de déclenchement, nécessaire pour gérer le flux de données croissant fourni par le LHC dès son redémarrage en février 2022. La production de ces cartes très complexes, possédant plus de 13000 composants résistants aux radiations et nécessitant des technologies électroniques et électro-optiques avancées, a demandé toute l’expertise et les compétences de l’Irfu au cours des dernières années. Elles transmettent chacune un volume de données de 200 Gbps (Gigabits par seconde).

Dans le cadre de l’augmentation de luminosité du Large Hadron Collider (LHC), la première phase  d’amélioration de l’expérience Atlas arrive à son terme, avant un redémarrage prévu début 2022. Pour répondre aux exigences de la physique dans un environnement hautement radiatif et à haut flux de particules, les deux roues internes du spectromètre à muons vont être remplacées par un nouveau dispositif : les New Small Wheels (NSW) ou nouvelles petites roues.

Après plusieurs années de R&D et de production, l’Irfu vient tout juste d’envoyer au Cern le dernier des 32 modules de détection qui seront intégrés dans les NSW. Cela correspond à l’assemblage d’environ 400 m² de détecteurs gazeux basés sur la technologie Micromegas : un record !

Voir : la vidéo des étapes d'assemblage et de tests d'un module sur la période 2017-2021

Le spectromètre à muons de l’expérience Atlas est une contribution importante de l’Irfu depuis l’époque de sa conception, et ses équipes sont aujourd’hui toujours en charge de son alignement. Le spectromètre joue un rôle déterminant dans la reconstruction des muons de haute énergie, dont la détection est cruciale pour la recherche de phénomènes au-delà du modèle standard. Le spectromètre est composé d’environ 1200 chambres à muons qui forment un édifice gigantesque de 44 m de long pour 24 m de diamètre. Malgré ces proportions imposantes, les positions relatives des chambres doivent être connues avec une précision de l’ordre de 50 μm pour atteindre les performances optimales du spectromètre. À cette fin, un réseau de lignes optiques permet de suivre en permanence les positions des chambres les unes par rapport aux autres, ainsi que leurs déformations. Une procédure élaborée permettant de reconstruire les 56000 paramètres déterminant l’alignement (pour la partie centrale) a été développée par une équipe de l’Irfu afin d’obtenir la précision requise pour la reconstruction de muons de haute énergie. Cette méthode, adoptée par la collaboration ATLAS, est exposée pour la première fois dans une  note Atlas.

La phase haute luminosité du LHC (HL-LHC) devrait permettre de collecter un jeu de données sans précédent dans l'histoire de la physique des particules. Afin d’enregistrer ces données le détecteur Atlas subira une cure de jouvence importante. L’Irfu, via le Paris-Cluster en synergie avec deux autres laboratoires d’Ile de France, s’engage dans la construction d’une partie du trajectographe interne. L’année 2021 commence en fanfare pour le Paris-Cluster qui vient de franchir un jalon important dans cette aventure : la première phase des processus d’assemblage et de tests développés par nos équipes a été validée par la collaboration Atlas.

Après une première campagne de tests et mesures particulièrement fructueuse, l'instrument spectroscopique pour l'énergie noire (DESI, Dark Energy Spectroscopic Instrument) vient de démarrer avec succès son programme d’observation de 5 ans. La collaboration internationale, sous l'égide du Berkeley Lab, a l’ambitieux projet de réaliser le plus grand relevé de galaxies et quasars pour dresser la carte en 3D de l'Univers la plus précise et élucider le mystère de "l’énergie noire".

Un grand relevé de cinq ans pour cartographier l'Univers et percer les mystères de l'"énergie noire" a débuté officiellement le 15 mai 2021 à l'Observatoire National de Kitt Peak, près de Tucson, en Arizona. Pour mener à bien sa mission, l'instrument spectroscopique pour l'énergie noire (DESI) capturera et étudiera la lumière de dizaines de millions de galaxies et d'autres objets lointains dans l'Univers. 

Près de 200 chercheurs ont participé à la collecte, au traitement et à l'assemblage des images de la moitié du ciel afin de préparer le début des observations de DESI, le Dark Energy Spectroscopic Instrument, dont l’objectif est de résoudre le mystère de l'énergie noire.

Pour que DESI puisse commencer sa mission de 5 ans (2021-2026) ayant pour objectif de produire la plus grande carte du ciel en 3D jamais réalisée, les chercheurs avaient d'abord besoin d'une gigantesque carte de l'Univers en 2D. Établie au moyen de 200 000 images provenant de 1405 nuits d’observations sur trois télescopes et de plusieurs années de données satellitaires, cette carte en 2D est la plus grande jamais réalisée, si l'on se base sur la surface du ciel couverte, la profondeur de l’imagerie et les plus d'un milliard d'images de galaxies qu’elle contient. 

Après trois ans de réflexions et de perfectionnement, l’application « Astro-Colibri » vient d’être lancée. Cette interface numérique réalisée par des chercheurs de l’Irfu/DPhP a pour but de rendre facilement accessibles et en temps réel des informations sur les phénomènes transitoires et multi-messagers. La nécessité de réagir rapidement aux explosions les plus violentes de l’univers et la richesse des informations fournies par le réseau mondial d’observatoires demandent de nouvelles approches et de nouveaux outils. A travers « Astro-Colibri » ce sont plusieurs observatoires qui ont désormais la capacité de se coordonner dans la surveillance et l’identification des sources de phénomènes physiques du ciel transitoire.

La plateforme existant sous forme d’application smartphone (IOS et Android) et de site web permet de mettre les alertes dans leur contexte d’observation en les croisant avec des données déjà connues, ce qui constitue un gain de temps considérable pour les chercheurs. De plus, l’application anticipe les meilleurs créneaux d’observation possibles pour un observatoire donné. Cette interface gratuite est également un outil ludique et pratique pour les férus d’astrophysique qui sauront facilement se mouvoir sur cette application fonctionnelle.

Les expériences embarquées comme le télescope grand champ du satellite Fermi détectant des rayons gamma au-delà de 100 MeV, révèlent une population de sources sans contrepartie astrophysique aux autres longueurs d’onde. Certaines d’entre elles ont les caractéristiques requises pour être des candidats « sous-halos de matière noire » prédits par les simulations cosmologiques comme peuplant le halo de la Voie Lactée. La gamme des candidates matière noire avec des masses inférieures à quelques centaines de GeV sont déjà exclues par les observations de Fermi. Pour tester les plus hautes masses, il faut une observation à plus haute énergie et le réseau de télescopes Tcherenkov au sol H.E.S.S. est l'instrument idéal. Ainsi, une équipe de physiciens de l'Irfu et d'un laboratoire d'Heildelberg a mené une campagne d’observations pour sélectionner minutieusement des objets parmi les plus prometteurs afin d'élucider leur possible identification comme « sous-halos de matière noire » au TeV. Les résultats de H.E.S.S. excluent cette interprétation pour des particules de matière noire dans la plage du TeV.  Ce travail a été publié dans la revue The Astrophysical Journal en Juillet 2021 (lien arxiv).

Le 29 août 2019, les scientifiques de la collaboration H.E.S.S. enregistrent une explosion cosmique parmi les plus brillantes jamais observées dans l’Univers. Ce sursaut gamma a émis les photons les plus énergétiques jamais détectés dans ce type d’événement. Sous la direction des chercheurs de l’Irfu, les observations ont continué pendant plusieurs jours. L’analyse des données recueillies remet en question l’origine des rayons produits lors de l’explosion. Ces résultats font l’objet d’une publication par l'équipe internationale à laquelle participent des chercheurs du CEA et du CNRS dans la revue Science le 4 juin 2021.

H.E.S.S. , situé en Namibie, est un système de cinq télescopes atmosphériques imageurs Cherenkov qui étudie les rayons cosmiques depuis 2003. En 2016, les caméras des quatre premiers télescopes  ont été entièrement remises à neuf en utilisant une électronique de pointe et en particulier la puce de lecture NECTAr conçue par un laboratoire du DEDIP/Irfu.

L'analyse de ce sursaut gamma exceptionnel a été pilotée par un physicien du groupe d'astroparticules du DPHP/Irfu.

Le 25 décembre 2021, Ariane 5 a parfaitement réussi sa 112ème mission depuis le Centre Spatial Guyanais (CSG), puisqu’elle a lancé avec succès le télescope spatial James Webb de la NASA, développé en coopération avec l’ESA et l’Agence Spatiale Canadienne (CSA). Ariane 5 a placé Webb sur une trajectoire qui l’emmènera directement vers sa destination finale : le second point de Lagrange (L2), une orbite située à 1,5 millions de kilomètres de la Terre, que le télescope atteindra 29 jours après son lancement. Intégralement déployé dès son arrivée à L2, il y allumera et y testera alors l’ensemble de ses 4 instruments avant d’être opérationnel aux environs de juin 2022.

Retour sur le lancement de cet instrument hors normes:

Sébastien Avila ©Universcience 2022

Pour suivre la suite de la mission rendez-vous sur le site JWST.

Et, en images ci-dessous, tout ce que vous voulez savoir sur le James Webb et la contribution française.

Les planètes qui sont fortement irradiées par leurs étoiles hôtes développent des atmosphères étendues qui peuvent être sondées pendant les transits. Ces atmosphères subissent la photoévaporation qui peut entraîner des modifications significatives de la masse et de la composition des planètes si elle se poursuit pendant plusieurs giga-années. Ces planètes sont donc précieuses pour comprendre l'évolution planétaire. L’étude de la photoévaporation des exoplanètes pourrait nous renseigner sur l’évolution des atmosphères des planètes de notre système Solaire dont les premières atmosphères auraient été façonnées par ce phénomène. Les exoplanètes nous permettent donc d'étudier ce processus au moment où il se produit. Une collaboration internationale s’est intéressée au système HAT-P-32 (composé de l’étoile du même nom et d’une exoplanète nommée HAT-P-32b) en étudiant deux raies d’absorption : l’hydrogène et l’hélium. Cela leur a permis d’identifier des différences remarquables au cours du transit à la surprise des scientifiques qui pensaient que les Jupiters chauds étaient plutôt stables à la photoévaporation. Bien que cette affirmation reste généralement vraie, HAT-P-32b fait exception à cette règle et montre que notre compréhension de l'évolution planétaire reste incomplète !

Les nucléons sont des particules sociales. Non seulement ils aiment vivre en communauté à l'intérieur des noyaux, mais ils forment également des couples au sein de ces communautés. En effet, on peut observer des protons et des neutrons formant des paires à l'intérieur des noyaux. Les physiciens du DPhN ont joué un rôle décisif dans la première mesure de ces paires de nucléons à l'aide d'une nouvelle méthode, qui ouvrira la voie à l'étude de ces interactions étroites (ou à courte portée) dans les noyaux radioactifs. Les résultats ont récemment été publiés dans Nature Physics [Pat21]. L'étude de ces paires de nucléons dans les noyaux radioactifs est l'objectif du projet ANR COCOTIER dirigé par l'Irfu.

Comprendre comment l'interaction nucléaire émerge des constituants de base de la matière est l'un des défis de la physique contemporaine. L'interaction nucléaire entre les nucléons (proton ou neutron) est considérée comme une manifestation de la force forte entre quarks, à travers l'échange de gluons qui maintiennent les nucléons ensemble. Malgré les efforts déployés depuis longtemps, il n'existe pas encore d'interaction nucléaire unifiée permettant de prédire les propriétés de tous les noyaux.

Deux instruments de pointe, GLAD et COCOTIER, ont étés conçus et construits à l’Irfu dans les dernières années et sont maintenant opérationnels au sein de la salle expérimentale R3B de l’accélérateur d’ions lourds de GSI (Darmstadt, Allemagne). Les deux sont destinés à faire partie de l’équipement qui sera utilisé auprès de FAIR, la nouvelle machine en construction sur le site de GSI. GLAD est un spectromètre de grande acceptance destiné à l’analyse des réactions de faisceaux d’ions lourds radioactifs relativistes. Il a été installé sur site en 2015 et vu le faisceau pour la première fois à l’automne 2018. Dans certaines expériences, ces faisceaux auront interagi en amont sur la cible d’hydrogène liquide COCOTIER. Celle-ci, financé en partie par l’Agence Nationale de la Recherche, vient d’être utilisée pour la première fois dans une expérience en mars 2021. Ces deux équipements sont deux éléments clefs pour effectuer des mesures des propriétés des noyaux à la limite de la cohésion nucléaire et avec des structures inhabituelles, permettent de faire évoluer les modèles nucléaires actuels.