Service d'Astrophysique 2001-2003 DSM - DAPNIA 2

Rapport d'activité 2001-2003

L'astrophysique

L’astrophysique a pour but de comprendre l’origine, l’histoire et le devenir de l’univers (formation et évolution des étoiles, des planètes, des galaxies, des amas de galaxies…). L’astrophysique est une science en plein essor grâce au fort potentiel de découvertes qu’elle engendre ; notons, par exemple, que 95 % de l’Univers est d’une nature totalement inconnue. Des instruments de plus en plus nombreux et puissants, au sol ou sur satellite, permettent de sonder l’univers avec une résolution angulaire et une sensibilité accrue, et ceci dans toute la gamme du spectre électromagnétique. Parallèlement, la modélisation, notamment à partir de simulations numériques, prend une place grandissante en astrophysique ; les problèmes astrophysiques sont la

plupart du temps des problèmes complexes qui font appel à d’autres disciplines de la physique. L’astrophysique et les autres domaines de la physique s’enrichissent mutuellement. D’un côté, l’astrophysique s’appuie sur eux pour comprendre les astres; de l’autre, le cosmos constitue un laboratoire naturel où l’on trouve les conditions les plus extrêmes: les plus grandes distances, les plus grandes échelles de temps, les plus forts champs de gravité près des trous noirs, les particules les plus énergétiques... Il permet d’aller jusqu’aux limites de la physique actuelle et de découvrir peut-être une physique nouvelle. C’est une des raisons de la création en 1992 du Dapnia qui regroupe astrophysiciens, physiciens des particules et physiciens nucléaires.

L’astrophysique au CEA

L’astrophysique a toujours su bénéficier de sa présence au CEA et a su faire bénéficier le CEA de sa présence. L’activité en astrophysique a démarré dans les années 60. À cette époque, le CEA avait pour objectif de développer le nucléaire (civil et militaire) et avait déjà acquis une bonne expérience en instrumentation pour détecter le rayonnement X et γ. Parallèlement, le spatial commençait à se développer avec la création du Cnes en 1961. Les rayonnements X et γ d’origine céleste sont absorbés par

l’atmosphère, si bien qu’il était naturel de « marier » les compétences du CEA et du Cnes pour développer l’astrophysique des hautes énergies. C’est ainsi que le SAp (Service d'Astrophysique) est devenu l’un des premiers laboratoires spatiaux français dédié à l’astronomie et, en partenariat avec le Cnes, a participé à la plupart des grands projets en astronomie du rayonnement cosmique (HEAO, Ulysse), du rayonnement γ (CosB, Sigma, Integral) ou X (XMM).

ESA : COS-B (1975-1982)

IKI : GRANAT-SIGMA (1989-1997)

ESA : XMM (1999-2008+)

ESA : INTEGRAL (2002-2008+)

Depuis les années 60, le SAp, en partenariat avec le CNES, est impliqué dans l'instrumentation spatiale des hautes énergies.

À partir des années 80, le CEA s’est diversifié en développant un pôle de haute technologie. L’astrophysique est un moteur de développements technologiques, propice à la valorisation industrielle ; en effet, les instruments d’astrophysique doivent avoir des performances exceptionnelles, afin de permettre d’observer les objets les moins lumineux de l’Univers. Par ailleurs, l’astrophysique est devenu une science multi-longueur d’onde.

Le SAp a pu suivre l’évolution de l’astrophysique et du CEA en se diversifiant vers un nouveau créneau d’excellence : la détection du rayonnement infrarouge thermique, basé sur les développements technologiques de détecteurs conduits au CEA/Léti à Grenoble pour les applications astrophysiques. C’est ainsi que le SAp a pris la responsabilité du développement de la caméra Isocam à bord du satellite ISO (novembre 1995 – mai 1998), et a participé à l’instrument Cirs de la mission Cassini,

I. Introduction

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Introduction

(lancement 1997, insertion autour de Saturne le 30 juin 2004). Le développement au Léti de nouveaux types de détecteurs demandés par l’astrophysique se poursuit actuellement avec la réalisation de matrice de bolomètres dans le cadre de l’instrument Pacs de la mission Herschel.

Depuis les années 80, le SAp s'est diversifié dans l'infrarouge, à partir de développements technologiques au CEA/DRT/Léti. Dans les années à venir, on peut prévoir que les aspects développements technologiques, et maîtrise d’œuvre de grands projets spatiaux, seront toujours des axes forts qui justifient la présence de l’astrophysique au CEA et qui lui

donne une place spécifique dans le dispositif français de recherche en sciences de l'univers. On voit pointer deux autres axes de développement de l’astrophysique au CEA, à savoir les simulations numériques en hydrodynamique, grâce à un accès privilégié au grand calculateur de la

Une activité importante du SAp consiste à l'étude des plasmas stellaires (études de l'intérieur du soleil grâce à l'héliosismologie avec SOHO, simulations numériques magnéto-hydrodynamique, expériences en laboratoire auprès des grands lasers).

DAM, et les plasmas astrophysiques avec notamment le développement de l’astrophysique en laboratoire à partir d’expériences auprès des grands lasers de puissance, à terme le laser Mégajoule à Bordeaux. L’activité « plasmas en laboratoire et simulations numéri–ques » est fortement couplée à l’activité d’étude du Soleil par l’héliosismologie, activité qui a débuté avec la participation du SAp à l’expérience Golf à bord du satellite SoHO (lancement en 1995).

Organisation du SAp

Jusqu’à la fin de 2001, le SAp est resté organisé en groupes d’ingénieurs et de chercheurs selon les longueurs d’ondes étudiées (X, γ, IR, …), un groupe dit « théorique » et un groupe de réalisation d’expériences spatiales (Geres). Au début de 2002, le SAp a été organisé en neuf laboratoires, cinq laboratoires regroupant des physiciens autour d’une thématique scientifique, et quatre laboratoires d’instrumentation spatiale dont un laboratoire de détection, formé de physiciens, d’ingénieurs et de techniciens (voir organigramme et pyramide des ages). Une des clefs de la réussite du SAp est le fort couplage entre la réalisation d’instruments et leur utilisation. Ce fort couplage est assuré par les responsables scientifiques d’instrument. Cette organisation prend aussi en compte le fait que depuis que le SAp est devenu un service du Dapnia en 1992, la collaboration avec les services techniques du Dapnia s’est fortement développée, notam–

ment pour les projets au sol, si bien que le SAp a recentré son activité technique sur les métiers spécifiques du spatial. À la fin de 2003, le SAp comptait 94 agents du CEA (48 physiciens, 28 ingénieurs et 18 techniciens), 9 agents du CNRS, 7 agents universitaires, 21 doctorants et 17 post-doctorants.

Ouverture vers les autres organismes

Le SAp a toujours été ouvert sur l’extérieur et accueille en permanence des chercheurs d’autres instituts. C’est ainsi

que des liens étroits existent entre le SAp et le CNRS depuis le milieu des années 70. La structure de cette

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collaboration a longtemps été une unité de recherche associée (URA 2052). En 2001, il a été décidé de transformer l’URA en Fédération de Recherche Évolutive (FRE 2591), structure temporaire de 2 ans qui permet l’évolution vers une nouvelle structure, logiquement une unité mixte de recherche (UMR). Depuis 1997, le SAp est associé à l’université Paris 7 par l’intermédiaire de l’équipe γG. Cette équipe mixte (4 enseignants-chercheurs et 4 physiciens du CEA en 1997) s’est élargie à 6 enseignants-chercheurs et 13 physiciens du CEA lors du plan quadriennal de 2001.

À partir du 1er janvier 2005, les relations avec nos partenaires seront renforcées avec la création de deux unités mixtes de recherche. L’UMR Astrophysique des Interactions Multi-échelle (AIM) regroupera la plupart des physiciens du SAp, du CNRS et les universitaires actuellement au SAp. En outre, sept physiciens de ce même service participeront à l’UMR AstroParticules et Cosmologie (APC), qui sera localisée sur le campus Tolbiac de l’université Paris 7. Plusieurs membres du SAp font partie de la fédération de recherche laser plasma.

Organigramme du SAp.

Les principaux programmes de recherche et projets

Le SAp travaille principalement autour des thématiques suivantes ; • naissance des étoiles et des planètes, (fragmentation

des nuages moléculaires, phases précoces de la formation des étoiles, disques circumstellaires, anneaux de Saturne…) ;

• vie des étoiles, (phénomènes magnéto-hydrodynamiques des plasma stellaires, activité des étoiles jeunes, Soleil, étoiles massives et pré-supernovæ…) ;

• phases ultimes de la vie stellaire (formation des trous noirs, binaires X, microquasars, explosion de supernovæ, restes de supernovæ, sursauts gamma…) ;

• structuration de l’Univers, (historique de la formation et évolution des étoiles, des galaxies et de leur noyau actif, des amas de galaxies, des grandes structures de l’Univers…)

Le SAp assure également le retour scientifique d'instruments construits pour les grands télescopes au sol par le SAp, SEDI, SIS.

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Ces études se font à partir d’observations multi-longueurs d’onde grâce en particulier aux instruments auxquels le Dapnia a participé, de simulations numériques et de modélisation. Le service se trouve dans une situation exceptionnelle avec, fin 2003, quatre expériences spatiales en exploitation, SoHO lancé en décembre 1995, Cassini

lancé en octobre 1997, XMM lancé en décembre 1999, Integral lancé en octobre 2002, et trois expériences au sol, Megacam, Hess et VISIR. À l’horizon 2007, il y aura 12 expériences en exploitation, ce qui demandera une très bonne organisation pour optimiser le retour scientifique et justifie une demande de croissance d’effectif.

Publications scientifiques

Le tableau ci-dessous résume les publications scientifiques pour les années 2001, 2002, 2003. Parmi les 315 articles publiés de 2001 à 2003 dans des revues de rang A, cinq articles ont été publiés dans la revue Science et un dans la revue Nature. Trois prix ou distinctions ont été décernées à des membres du SAp :

• 2002, Jacques Paul : prix Massey de la Royal Society et du Comité pour la recherche spatiale ;

• 2003, Pierre-Alain Duc : prix Jeune Chercheur de la Société française d'astronomie et d'astrophysique (SF2A) ;

• 2003, Félix Mirabel : nommé docteur honoris causa de l’université de Barcelone

Publications par année 2001 2003 2003 Revues de rang A 99 87 129 Conférences 115 83 109 Thèses soutenues 5 8 5 Étudiants en thèse 4 7 10 HDR 0 0 2

Les mouvements reconstitués de Cygnus

X-1 (flèche rouge) et de l'association d'étoiles massives Cygnus OB3 (flèche

jaune) montrent que Cygnus X-1 a sans doute été formé au sein de cette

association et continue à y appartenir. Ceci indique que ce trou noir a été formé

sans une vilolente explosion de Supernova (Mirabel et al. Science 2003).

Les images du ciel dans l'infrarouge moyen réalisées à l'aide de la caméra ISOCAM sur le satellite ISO ont permis de découvrir une phase cruciale de la vie des galaxies au cours de laquelle elles vivent une flambée de formation d'étoiles (Elbaz & Cesarsky, Science 2003).

Première mise en évidence en rayon X des jets en expansion d'un microquasar (Corbel et al. Science 2002).

Projets instrumentaux

Le SAp, en collaboration avec le SIS et le SEDI, a actuellement une participation majeure dans la réalisation de trois instruments spatiaux : les instruments PACS et SPIRE du satellite HERSCHEL et MIRI, l'instrument infra-rouge moyen qui équipera le JWST, successeur du Hubble Space Telescope en 2011. Le SAp participe également aux projets GLAST et PLANCK, mais

uniquement du point de vue logiciels pour l'analyse des données. Par ailleurs, le SAp est très actif dans la préparation de l'avenir en conduisant les études de faisabilité de cinq grands projets, 4 projets spatiaux et un projet sol.

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Introduction

Le SAp est actuellement impliqué dans la réalisation de trois

grands instruments spatiaux, deux pour Herschel et un pour le JWST.

Avec le projet Simbol-X, proposé en réponse à l’appel d’offre du Cnes sur le vol en formation, et le projet Eclairs, proposé en réponse à l’appel d’offre du Cnes sur les microsatellites, ainsi que les études de R&D associées sur la détection du rayonnement γ à partir de « polycells » en Cd(Zn)Te, l'étude du rayonnement X et γ continue d'être un domaine d'excellence pour le SAp. L’héliosismologie est un outil puissant pour l’étude de l’intérieur du Soleil. Étudier précisément le Soleil est une étape incontournable pour avancer dans la compréhension de l’évolution stellaire. Le projet Golf-NG, proposé en réponse à l’appel d’offre du Cnes sur les microsatellites, avec pour objectif principal la détection des modes de

gravité et la compréhension des cycles d’activité, pourrait prendre la suite de SOHO Golf.

Détecteur CdZnTe : R&D

effectué en collaboration avec le SEDI

Une mission spatiale d’étude de la matière noire et de l’énergie sombre, à partir d’un télescope optique et infrarouge à grand champ dans l’espace, verra très certainement le jour. Le SAp joue un rôle moteur en Europe pour le développement rapide d'une telle mission (proposition DUNE soumise au CNES). Basé sur l’avance technologique acquise avec le développement de matrices de détecteurs submilli–métriques dans le cadre du projet Herschel, un projet d’un instrument submillimétrique à grand champ sur un grand télescope au sol est en gestation.

Contenu de ce rapport

Ce rapport d’activité concerne les années 2001-2003. Ces années ont été particulièrement productives, tant sur le plan scientifique qu’instrumental. Le rapport a été organisé de la façon suivante. Le chapitre 2 traite des premiers résultats obtenus avec les instruments IBIS et SPI à bord du satellite INTEGRAL de l’ESA, auxquels le CEA a apporté une contribution majeure. Dans le chapitre 3, l’accent est mis sur des exemples de contribution de l’astrophysique à la physique fondamentale (énergie sombre, neutrinos solaires). Les 5 chapitres suivants décrivent les activités des différents laboratoires thématiques. Le chapitre IX est consacré à une présentation rapide de l’activité instrumentale du SAp, centrée sur l’instrumentation spatiale. Les

recherches et développements conduits dans le laboratoire de détection spatiale sont décrits au chapitre X. Dans la longue chaîne qui va de l’idée d’un instrument jusqu’à la publication de résultats scientifiques de premier plan, le traitement des données est un maillon clef. C’est pourquoi le Sap est partie prenante dans plusieurs centres de traitements de données (voir chapitre XI). Pour être au premier plan pour la réduction de données, nous utilisons les algorithmes de traitement du signal les plus performants, grâce à une très bonne interaction avec les spécialistes du SEDI (voir chapitre XII). Pour des information sur les différents projets instrumentaux, le lecteur pourra consulter le site WEB suivant : http://www-dapnia.cea.fr/Phys/SAp.