Astrophysique des hautes énergies et Univers précoce
Formation et évolution des trous noirs massifs
Des trous noirs massifs se trouvent au centre de la plupart des galaxies proches. Leurs masses couvrent un large éventail, de moins de 100 000 à plus d'un milliard de masses solaires; cette masse représente environ 1/1000 de la masse stellaire
des galaxies hôtes. Les trous noirs massifs sont aussi le moteur central qui alimente les quasars et noyaux actifs de galaxies, lesquels sont les sources stables les plus énergétiques de l'Univers. Les quasars et noyaux actifs nous permettent de retracer quand et comment les trous noirs massifs ont vu leur masse croître,
en avalant du gaz et parfois des étoiles fournis par leur galaxie hôte.
L'équipe développe des modèles théoriques de la formation de "graines" de trous noirs massifs dans les premières galaxies, et de leur croissance tout au long de l'histoire cosmique des galaxies. La dynamique des trous noirs massifs est également étudiée afin
de prédire la fréquence des fusions, observables par les ondes gravitationnelles émises. Des modèles analytiques, semi-analytiques ainsi que des simulations numériques sont utilisées pour mener ces études.
Chercheuse et chercheur permanents : Jean-Pierre Lasota, Marta Volonteri
Physique des sursauts gamma et des autres sources de rayonnement à haute énergie
Les sursauts gamma sont des explosions cosmiques extragalactiques qui apparaissent comme les phénomènes lumineux les plus brillants connus dans l'Univers. Leur modélisation vise à construire une description physique cohérente de leur émission au cours des phases dites « prompte » et
«rémanente ».Le scénario envisagé met en jeu un jet ultra-relativiste émanant d'une source compacte. La dissipation d'une fraction de l’énergie cinétique et/ou magnétique du jet par chocs ou reconnexion magnétique est probablement à l'origine de l’émission prompte (le sursaut gamma lui-même) alors que la décélération du jet par le milieu extérieur produit, à plus basse énergie, la rémanence qui suit le sursaut.
Au cours des années les membres de l'équipe ont développé une série de modèles décrivant ces différentes phases. De plus, ils sont fortement investis dans la préparation de la mission spatiale sino-française SVOM (lancement prévu en 2021) qui étudiera en détail les sursauts ainsi que leur rémanence et les utilisera pour sonder l’Univers lointain.
Des projets variés sont également poursuivis au sein du groupe sur la physique des disques d'accrétion et des jets associés aux binaires compactes ou aux noyaux actifs de galaxies. L’étude des propriétés de ces disques et jets est maintenant accessible à de nombreux instruments (RXTE, Chandra, XMM, ASCA, Fermi ...) pour des sites astrophysiques variés, ce qui fournit des contraintes essentielles pour la modélisation.
Chercheurs permanents : Frédéric Daigne, Jean-Pierre Lasota, Robert Mochkovitch
Nucléosynthèse primordiale et histoire cosmique des baryons, des premières étoiles à l'époque actuelle
La composition de la matière baryonique évolue sous l'effet des processus nucléaires au cours du Big Bang, au sein des étoiles ou encore dans le milieu interstellaire. Pour ce qui concerne la nucléosynthèse primordiale, l'équipe tient à jour les modèles en relation étroite avec les experts de la physique nucléaire. Une attention particulière est portée au Lithium 7 car, pour cet isotope, les écarts entre mesures et prédictions demeurent actuellement inexpliqués.
Les modèles sont maintenant suffisamment bien maîtrisés pour poser des contraintes sur d'éventuels effets de "nouvelle physique", en particulier concernant la variation des constantes fondamentales. Ainsi, il a été montré au sein de l'équipe qu'une variation avec le temps cosmique de l'énergie de liaison du deutérium permettrait de résoudre le problème du Lithium 7.
Par ailleurs, un modèle a été développé permettant de décrire l'évolution chimique de la matière à grande échelle dans l'Univers sous l'effet de la nucléosynthèse stellaire, dans le cadre du scénario standard de formation hiérarchique des structures. L'ensemble des données observationnelles disponibles est pris en compte (abondances, taux de formation stellaire, réionisation induite ...). Le modèle ainsi obtenu permet de contraindre le domaine des masses possibles pour les premières étoiles, ainsi que l'émission d'ondes gravitationnelles et de neutrinos associés aux supernovae correspondantes. Il a été étendu à l’étude de la formation hiérarchique par arborescence afin d’étudier notamment la dispersion de l'abondance des éléments chimiques observée dans l’Univers lointain.
Enfin, à partir d'une analyse de la réaction (dite "3 alpha") de formation du carbone 12 au sein de ces étoiles massives de génération III, des contraintes sur les variations de certaines constantes fondamentales ont pu être obtenues.
Chercheuse et chercheurs permanents : Frédéric Daigne, Joe Silk, Jean-Philippe Uzan, Elisabeth Vangioni,
Etude spectroscopique de la ligne de visée de sources distantes : sondage des gaz intergalactique, circumgalactique et interstellaire dans l'univers lointain
L'analyse du spectre des quasars est un moyen très puissant pour étudier les caractéristiques du milieu intergalactique ou du gaz associé aux galaxies interposées sur leur ligne de visée. En exploitant de nombreuses données obtenues sur les grands télescopes (VLT en particulier), les membres de l'équipe ont pu analyser les propriétés du gaz dense, riche en molécules (H2, CO) situé dans les régions internes de galaxies lointaines et comparer ces propriétés à celles du milieu interstellaire de notre galaxie. De même, le gaz très chaud, révélé par les raies d'absorption de l'ion OVI et entourant les galaxies lointaines a été étudié : il constitue une fraction non négligeable de la masse des baryons à grand redshift.
En corrélant les spectres de quasars proches de quelques minutes d'arc sur le ciel, il a été possible de caractériser la distribution spatiale du gaz et de la comparer aux prédictions des modèles en vigueur actuellement. A plus grande échelle, les grands relevés BOSS et eBOSS ont permis de détecter les oscillations baryoniques et d'observer la phase d'expansion décélérée de l'Univers, précédant la phase actuelle accélérée due à l'énergie sombre.
Chercheuse et chercheurs permanents : Jacqueline Bergeron, Patrick Boissé, Pasquier Noterdaeme, Patrick Petitjean
Recherche et étude de sources à grand décalage spectral pour explorer l'Univers lointain
Afin de sonder plus en détail l'Univers lointain, il est nécessaire de découvrir et étudier de nouveaux objets brillants situés à grand redshift. Cet effort est mené dans notre équipe pour plusieurs catégories de sources : a) les galaxies ultra-lumineuses infrarouges découvertes par le télescope spatial Herschel, dont nous observons l'émission des poussières ou des molécules CO et H2O avec les télescopes de l'IRAM ou ALMA, b) les quasars identifiables par leur couleur ou leur variabilité dans les grands relevés en imagerie profonde, c) les sursauts gamma, pour lesquels une modélisation détaillée de la distribution en décalage spectral est menée afin de préparer au mieux les programmes qui seront conduits par la mission spatiale SVOM dans laquelle l'IAP est fortement engagé
Chercheuse et chercheurs permanents : Jacqueline Bergeron, Frédéric Daigne, Robert Mochkovitch, Alain Omont, Patrick Petitjean
Formation des éléments cosmologiques au cours du Big bang
