Département d'Ingénierie des Systèmes

Tilepy est une plateforme conçue pour optimiser et faciliter la planification des observations de suivi des événements multi-messagers [1]. Développée au cours des huit dernières années par une équipe de chercheurs à l’Irfu, dirigée par Fabian Schussler, l’équipe comprend d’anciens doctorants Monica Seglar-Arroyo et Halim Ashkar, qui ont commencé leurs contributions pendant leurs études doctorales, ainsi que le postdoctorant Mathieu de Bony de Lavergne. Tilepy, maintenant accessible au public, offre des solutions innovantes et faciles à utiliser pour planifier les observations de suivi des événements comme les ondes gravitationnelles (GW), les sursauts gamma (GRB) et les neutrinos de haute énergie. Tilepy a déjà été adopté par les observatoires internationaux H.E.S.S. et CTA/LST-1 comme outil de planification par défaut pour les études multi-messagers.

Samedi 22 juin à 9h, la fusée chinoise Long Marche 2C a décollé depuis la base de lancement de Xichang, dans la province du Sichuan en Chine, avec à son bord le satellite Franco-Chinois Svom (Space Variable Object Monitor). Quelques minutes après, Svom s’est positionné en orbite basse à une altitude de 650 km. Il est maintenant paré pour débuter sa phase de démarrage qui va durer plusieurs mois afin de commencer l’exploitation scientifique dès le mois d’octobre.

communiqué de presse CEA/CNES/CNRS

Le premier magnetar extragalactique découvert par INTEGRAL! Un événement transitoire unique a été détecté par le satellite INTEGRAL: jusqu’à présent le magnetars, étoiles à neutrons au champ magnétique hyper puissant, n’étaient connus que dans notre galaxie. INTEGRAL, avec l’aide de XMM et d’observatoires au sol, a découvert un magnetar dans la galaxie M82!

Retour sur la détection de ce "giant flare" seulement le 4ème en 50 ans d’observations! (article publié Nature)

Pendant que le satellite de l’ESA INTEGRAL était en train d’observer la région de l’amas de galaxies de la Vierge en Novembre 2023, le télescope IBIS/ISGRI a soudainement détecté un signal gamma très bref, d’une durée d’un dixième de seconde (fugure ci contre). Grâce au INTEGRAL Burst Alert Sytem (IBAS), qui analyse les données d’ISGRI en temps réel au centre de données d’INTEGRAL (ISDC), une alerte a été émise seulement 13 secondes après l’évènement et les astronomes d’astreinte, dont Diego Götz du DAp, ont rapidement réalisé que cet évènement énergétique était associé à la galaxie M82.

La question qui s’est posée par la suite était : quel est la nature de l’objet à l’origine de l’impulsion gamma. Est-ce un sursaut gamma court (issu de la coalescence de deux étoiles à neutrons) ou bien un giant flare d’un magnetar (étoile à neutrons avec un champ magnétique très élevé) ?

Les magnétars sont des étoiles à neutrons arborant les champs magnétiques les plus intenses observés dans l’Univers. Pour s’atteler à la question encore ouverte de l’origine de ces champs magnétiques extrêmes, un scénario a été proposé par une équipe du Département d’Astrophysique (DAp) du CEA Saclay faisant appel au mécanisme dynamo de Tayler-Spruit, provoqué par la matière qui retombe sur la jeune étoile à neutrons après l’explosion en supernovae. L’équipe de scientifiques avait montré en 2022 par une analyse analytique que ce type de dynamo pouvait expliquer l’intensité du champ magnétique des magnétars. Dans cette nouvelle étude, l’équipe confirme ce résultat grâce à des simulations numériques tridimensionnelles. Cela aura de grandes répercussions sur la compréhension de l’origine des champs magnétiques, non seulement pour les magnétars, mais aussi pour l’évolution stellaire où le même mécanisme dynamo pourrait être à l’œuvre.

Cette nouvelle étude a été publié dans le journal Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters.

Une équipe internationale pilotée par des chercheurs français, dont ceux du DAp, publie le 28 novembre 2023 dans l’Astrophysical Journal une compilation de 340 pulsars vus en rayons gamma (30 MeV – 30 GeV) avec le télescope spatial LAT sur le satellite Fermi de la NASA.

Avant la mise sur orbite de Fermi en 2008, seulement 11 pulsars étaient connus en rayons gamma. Ce nouveau catalogue réunit la totalité des caractéristiques de tous les pulsars gamma connus. Il contient une richesse d’information sur les mécanismes, mal connus aujourd’hui, de comment se génèrent les faisceaux des pulsars. Cette mine d’informations centralisées favorise l’exploration de nouvelles pistes pour les théoriciens qui essaient de comprendre ces phénomènes.

Astrophysical Journal Supplement 2023, Smith et al, The Third Fermi Large Area Telescope Catalog of Gamma-ray Pulsars

Le télescope Fermi-LAT poursuit son relevé systématique en rayons γ

Le satellite Fermi de la NASA a été lancé en juin 2008, et le télescope Fermi-LAT effectue un relevé systématique en rayons γ d’énergies proches du GeV couvrant la majorité du ciel toutes les 3 heures (et tout le ciel en au plus une semaine) depuis août 2008.

Le 9 Octobre 2022 à 13h16 et 59.99 secondes, une bouffée de lumière gamma, appelée sursaut gamma (GRB) a ébloui la quasi-totalité des détecteurs de rayons X et gamma disponibles à ce moment-là. Depuis leur découverte, ces événements font l’objet d’un suivi continu grâce à des observations multi-longueurs d’onde par des télescopes dans l’espace et au sol. Ce sursaut baptisé GRB221009A a secoué la communauté mondiale des astrophysiciens qui mènent depuis leur analyse pour comprendre les phénomènes physiques qui ont déclenché cette bouffée d’énergie la plus intense de notre histoire. 

Le CEA a livré au CNES la version de vol du logiciel de l’instrument ECLAIRs pour le satellite SVOM. Cela conclut une phase de développement instrumental important conduit par le CEA pendant 6 ans pour produire l’un des logiciels les plus complexes jamais embarqués sur un instrument scientifique spatial français. Cette version du logiciel équipera le calculateur de bord d’ECLAIRs lors de son départ vers la Chine en début d’année 2023. Il servira dès les tests d’intégration du satellite à Shanghai en prévision du lancement en fin d’année 2023. Ce logiciel analysera en temps-réel les données de l’instrument en vol pour détecter des sursaut gamma et les localiser à mieux de 12 arcmin sur le ciel, afin de réorienter automatiquement le satellite pour effectuer des observations de suivi et d’alerter la communauté scientifique.

L’origine des rayons cosmiques Galactiques, leur source d’énergie et leur processus d’accélération soulèvent de nombreuses questions plus de 100 ans après leur découverte par Victor Hess en 1912. Quelles sont leurs sources d’accélération et d’énergie ? Quels sont les mécanismes d’accélération et leurs propriétés ?
Si ce ne sont pas les seules sources envisagées, les chocs forts dans les restes de supernova constituent l’un des lieux privilégiés d’accélération qui permettent d’accélérer les particules par le mécanisme d’accélération diffusive. De plus, si une fraction de 10-20% de l’énergie cinétique du choc est ponctionnée pour accélérer les particules, le taux de supernova dans notre Galaxie peut rendre compte de l’énergie requise pour maintenir la population de rayons cosmiques Galactiques.
Les observations en rayons X, quant à elles, ont l’avantage de pouvoir cartographier finement les lieux d’accélération. Et, intérêt majeur, elles renseignent à la fois sur les propriétés du plasma thermique chauffé à des millions de degrés et sur celles du plasma non-thermique d’électrons accélérés à des énergies très élevées de l’ordre du téraélectron-volt. Elles offrent ainsi des clés à la compréhension des mécanismes d’accélération au choc, et spécifiquement de leur rétroaction et de leur dépendance au champ magnétique.

Alors que les supernovae de type Ia sont considérées comme des explosions très symétriques, l’explosion dans un système binaire serré composé de deux naines blanches révise ce paradigme. Une équipe internationale (Japon, Canada, France), dont une chercheuse du Département d’Astrophysique/Laboratoire AIM du CEA Paris-Saclay, publie une étude dans la revue The Astrophysical Journal qui révèle que les structures asymétriques distinctives d’une telle supernova laissent des empreintes post-mortem dans la morphologie de la matière éjectée. Ces signatures morphologiques perdurent et sont observables dans une phase avancée des restes de supernova. Ces résultats ouvrent la possibilité d’identifier et de caractériser le scénario d’explosion de ce type de supernovae.

Les équipes françaises des télescopes ECLAIRs et MXT, instruments au cœur de la mission SVOM, ont vécu courant mars 2022 un moment important. Tout d’abord une revue générale des deux projets a eu lieu au CNES à Toulouse devant un groupe d’expert. Cette revue a permis de vérifier que les deux instruments répondent aux spécifications techniques et seront donc aptes à dérouler la mission scientifique. Ensuite une série de visites des équipes s’est déroulée dans les deux salles blanches du CNES hébergeant respectivement les modèles de vol des deux instruments, ECLAIRs et MXT.

Le 12 février 2022 le télescope à neutrinos ANTARES (Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental RESearch), a mis un terme à sa prise de données débutée en 2007. Pendant 15 ans, des milliers de neutrinos, particules fugaces, témoins précieux des phénomènes cataclysmiques de l’Univers, ont été détectés à 2500 m dans les abysses méditerranéens. L’objectif : trouver dans la carte du ciel ainsi obtenue des accumulations anormales révélant les sources du rayonnement cosmique, une pluie de particules détectée, pour la première fois, il y a plus de cent ans et dont l’origine reste encore mystérieuse. L’équipe du CEA a joué un rôle prépondérant dans la réussite de ce projet, pionnier de l’astronomie multi-messager.

Les scientifiques de l'Irfu et la collaboration H.E.S.S. observent pour la première fois l'accélération de particules en temps-réel dans notre Galaxie. Les novæ sont de puissantes éruptions à la surface d'une naine blanche dans un système stellaire binaire, dans lequel une grosse et une petite étoile orbitent l'une autour de l'autre. Une nova crée une onde de choc qui déchire le milieu environnant, entraînant des particules et les accélérant à des énergies extrêmes. L'observatoire de rayons gamma de haute énergie H.E.S.S. en Namibie a pu observer ce processus d'accélération pour la première fois. De manière surprenante, la nova détectée semble provoquer une accélération de particules à des énergies atteignant la limite théorique. Ces résultats ont fait l'objet d'une publication dans Science.

L’explosion d’étoiles génère une onde de choc qui se propage à plus de 5000 km/s des siècles durant, et il est admis que c’est la source principale de l’accélération de particules énergétiques, les rayons cosmiques. Etudier l’émission haute énergie des vestiges de supernova est donc un moyen d’accéder à des informations de premier plan sur la nature des particules accélérées, leur énergie et leur composition. Une équipe française menée par un chercheur du Département d’Astrophysique/Laboratoire AIM du CEA-Irfu de Paris-Saclay vient de confirmer la détection d’un rayonnement au-delà de 100 MeV provenant du reste de supernova historique Kepler. Pas moins de douze années de données obtenues par le télescope LAT à bord du satellite de la NASA Fermi ont été nécessaires pour confirmer l’existence d’une accélération de particules efficace dans ce vestige qui compte parmi les plus jeunes dans notre Galaxie. Les chercheurs en déduisent également que l’émission gamma observée résulte vraisemblablement d’interaction entre des ions accélérés et le gaz derrière l’onde de choc et proposent plusieurs scénarii selon l’intensité du champ magnétique. Ces travaux sont acceptés pour publication dans la revue Astronomy and Astrophysics.

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.

Le 1er juin 2021, la solution logicielle open source Gammapy a été sélectionnée par l’observatoire CTA (Cherenkov telescope array) comme outil d’analyse de haut niveau (Science Tools) pour la réduction et modélisation des données collectées par son futur réseau de télescopes en cours de déploiement au Chili et dans les îles Canaries. Gammapy a bénéficié de la participation de quelques 70 scientifiques du monde entier avec une forte implication de laboratoires allemands et français, dont le département d’astrophysique à l’Irfu (Irfu/DAp).

A travers des contributions sur les méthodes d'analyses et la visualisation des données ainsi qu'une place au comité de pilotage, le DAp a pu contribuer à ce succès.

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.

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

Depuis la détection par les interféromètres de la collaboration LIGO-Virgo d’ondes gravitationnelles provenant de la fusion de deux trous noirs, les binaires de trous noirs comptent parmi les objets célestes qui intriguent le plus les scientifiques. Une équipe d’astronomes, dont des chercheurs du Département d’Astrophysique/ Laboratoire AIM du CEA Paris-Saclay et du laboratoire APC, ont déterminé, grâce à plus de 60 000 simulations numériques d’évolutions stellaires, les caractéristiques des progéniteurs à l’origine des fusions de binaires de trous noirs de masse inférieure à 10 masses solaires. Selon cette étude, une phase dans l’évolution du système binaire dite phase d’enveloppe commune joue un rôle essentiel dans le processus conduisant, ou non, à la fusion des deux trous noirs. Ces travaux font l’objet d’un article à paraître dans la revue Astronomy & Astrophysics.

Le satellite Taranis a été lancé par une fusée Vega dans la nuit du 16 au 17 novembre 2020 depuis le Centre Spatial Guyanais à Kourou. Malheureusement, 8 minutes après le décollage, une défaillance dans la trajectoire du lanceur a été constatée, conduisant à la perte de la mission. Durant sa phase opérationnelle de 4 ans ce satellite devait observer, étudier et caractériser les événements lumineux transitoires (TLE), ces émissions d’ondes électromagnétiques qui se produisent pendant les orages actifs, ainsi que les flashs de rayons gamma (TGF). Tous les instruments de la mission étaient placés sous la responsabilité scientifique de laboratoires français du CEA ou du CNRS, eux-mêmes placés sous l’égide du CNES, maître d’œuvre de Taranis.
Cet échec n’entame néanmoins pas la détermination des chercheurs, décidés à poursuivre l'étude de ces phénomènes atmosphériques méconnus.

Ci-après un texte, préparé avant le lancement, décrivant les caractéristiques de l’instrument XGRE, l’un des éléments de la charge utile du satellite Taranis.

Une campagne internationale incluant des télescopes au sol et dans l’espace, dont le satellite INTEGRAL, a découvert fin avril 2020 de très brèves impulsions à la fois en rayons X et dans les ondes radio en provenance d’un astre compact de la Galaxie, le magnetar SGR 1935+2154. L’observation simultanée dans les deux domaines d'énergie de ces signaux constitue une première pour ce type de source et atteste d'une connexion entre les magnetars et les Fast radio bursts (ou sursauts radio rapides), une classe de sources radio dont l’origine est très mal connue. Ces travaux auxquels ont participé des chercheurs du Département d’Astrophysique/ Laboratoire AIM du CEA-Irfu de  Paris-Saclay sont publiés dans la revue The Astrophysical Journal Letters et objet d’un communiqué de l’Agence spatiale européenne (ESA).

Motivée par des caractéristiques atypiques d’un disque proto-planétaire observées récemment autour de l’étoile AB Aurigae avec l’instrument ALMA, une équipe internationale d’astrophysiciens comprenant un chercheur du Département d’Astrophysique/ Laboratoire AIM du CEA-Irfu de  Paris-Saclay vient d’obtenir un cliché précis d’une zone particulière, en forme de S, dans le disque de gaz et de poussière qui entoure l’étoile. Cette remarquable structure, unique et captée grâce à la finesse d’image livrée par l’instrument SPHERE au VLT de l’ESO, signe la présence d’une planète géante en formation, confortant un scénario théorique de naissance de planètes. Publiée dans la revue Astronomy and Astrophysics, et objet d’un communiqué de l’ESO, ces travaux vont aider à la préparation des programmes de recherche portant sur les disques protoplanétaires avec le futur instrument ELT/METIS.

La collaboration Fermi-LAT vient de publier son quatrième catalogue de sources, dénommé 4FGL. Intégrant huit années de prise de données, il contient 5064 objets célestes émettant en rayons gamma à des énergies autour de 1 GeV, enrichissant l’édition précédente (parue en 2015) de plus de 2000 sources à haute énergie. 28% des objets répertoriés sont de nature inconnue, laissant présager de nombreuses études complémentaires. Bien que modeste en volume par rapport aux milliards de sources connues dans le domaine visible, le catalogue 4FGL est de loin le plus profond en astronomie gamma, et sert donc de référence à tout le domaine. Le catalogue, fruit d’un travail coordonné par un chercheur du Département d’Astrophysique/ Laboratoire AIM du CEA-Irfu de Paris-Saclay, est accessible en ligne sur le site Fermi de la NASA. De manière conjointe, un recensement des noyaux actifs de galaxies, le catalogue 4LAC (étude coordonnée par un chercheur du CNRS/CENBG) est également mis à disposition de la communauté.

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.

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.

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).

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. 

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.

Le 7 mai 2018, l'Agence spatiale européenne (ESA) a annoncé les trois missions spatiales sélectionnées, sur les 25 proposées, pour la cinquième mission de classe moyenne de l'ESA dans son programme scientifique Cosmic Vision, dont la date de lancement est prévue en 2032. L'une de ces trois missions est le projet THESEUS (Transient High-Energy Sky et Early Universe Surveyor), un projet développé ces dernières années par un grand consortium européen dans lequel le Département d'Astrophysique/Laboratoire AIM du CEA-Irfu joue un rôle majeur. THESEUS vise à explorer l'Univers précoce (le premier milliard d'années) grâce à des sursauts gamma (GRBs), les explosions les plus extrêmes du cosmos, et à fournir une détection, une localisation précise et une mesure de la distance des sources d'ondes gravitationnelles et de neutrinos, ainsi que de nombreuses autres sources célestes transitoires.

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".

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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".

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).

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

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.

L'univers violent sera le thème scientifique prioritaire de la prochaine grande mission spatiale de l'Agence Spatiale Européenne (ESA) qui devrait être lancée en 2028, une thématique dans laquelle le Service d'Astrophysique-Laboratoire AIM du CEA-Irfu est particulièrement impliqué depuis sa création.
A l'issue d'une grande compétition qui a vu la proposition de 31 projets sur 23 thèmes scientifiques différents, le conseil scientifique de l'ESA du 28 novembre 2013 a en effet choisi l'exploration de l'univers chaud et énergétique pour objectif de son prochain grand observatoire spatial, la mission L2, dont le budget sera d'environ un milliard d'euros. La sélection définitive des instruments interviendra courant 2014 mais la mission sera largement basée sur le projet ATHENA+ (Advanced Telescope for High ENergy Astrophysics), un télescope à rayons X proposé par une collaboration de laboratoires européens avec une forte contribution des chercheurs français du CNRS  (IRAP, Observatoire de Strasbourg) et du CEA (IRFU).
Dans la suite directe des deux satellites européens XMM-Newton et INTEGRAL, actuellement en orbite, ATHENA+, dont la durée de vie est prévue pour 10 ans, permettra à l'Europe de rester en pointe pour de nombreuses années dans l'étude du rayonnement de hautes énergies de l'univers, allant de la détection des trous noirs à la distribution des galaxies et la formation des grandes structures 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 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.

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.

Des chercheurs du Laboratoire d'Étude des Phénomènes Cosmiques de Haute Énergie et des experts en simulations numériques du groupe COAST, ont réalisé le couplage entre un code hydrodynamique 3D et un modèle d'accélération de particules, permettant pour la première fois d'étudier de façon réaliste les signatures morphologiques des protons accélérés par l'onde de choc d'un reste de supernova, en fonction de l'efficacité du mécanisme d'accélération, et en prenant en compte des instabilités qui affectent la zone choquée.

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.

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.

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.

Ecouter 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.

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.