Dans les secrets de l`Univers

clefs
N° 58
Automne 2009
ISSN 0298-6248
www.cea.fr
clefs N° 58 - Automne 2009 Dans les secrets de l’Univers

>POUR EN SAVOIR PLUS...
Suivez les projets d'astrophysique du CEA sur Internet :
http://irfu.cea.fr/Sap/
Un document spectaculaire de l’histoire de l’astronomie
vient d’être remis en lumière par l’étude d’un groupe
de chercheurs conduit par Jean-Marc Bonnet-Bidaud (SAp).
Le document, désigné sous le nom de carte de Dunhuang,
conservé à la British Library de Londres, est un atlas céleste
complet découvert en 1900 parmi 40 000 manuscrits
précieux entreposés dans les Caves de Mogao, un monastère
bouddhique sur la Route de la Soie chinoise. Cachés dans
une grotte aux alentours du XIesiècle, ces manuscrits,
principalement des textes religieux bouddhiques, ont été
miraculeusement préservés grâce au climat très aride.
L’étude scientifique détaillée de la carte réalisée par
les chercheurs a permis de conclure que l’atlas, qui
contient plus de 1 300 étoiles, a été composé dans
les années 649-684. Utilisant des méthodes de projections
mathématiques précises, il conserve une précision
de 1,5 à 4° pour les étoiles les plus brillantes. C’est
la plus ancienne carte d’étoiles connue, toutes civilisations
confondues, et la première représentation graphique
de l’ensemble des constellations chinoises. L'atlas est
présenté dans le numéro du 11 Juin 2009 de la revue Nature
et l'étude historique et scientifique est publiée dans
le Journal of Astronomical History and Heritage.
CLEFS CEA - N° 58 - AUTOMNE 2009
Clefs CEA N° 58 – AUTOMNE 2009
Image principale de couverture
La nébuleuse par réflexion NGC 1999
située dans la constellation d'Orion. Cette
image a été prise par la caméra MegaCam,
développée au CEA, qui est placée au foyer
du télescope de l'Observatoire Canada-
France-Hawaii (CFHT) installé au sommet
du volcan Mauna Kea, à 4 200 m d'altitude,
sur la grande île d'Hawaii.
image MegaCam (CEA) par le CFHT
& Coelum
Images en médaillon
haut : Inspection et vérifications
fonctionnelles de l'imageur de la caméra
infrarouge MIRI, l'un des instruments
qui équiperont le télescope spatial
James Webb. Le CEA a la responsabilité
scientifique et technique de cet imageur.
L. Godart/CEA
bas : Tests d'alignement de l'imageur de
MIRI effectués au CEA.
F. Rhodes/CEA
Pictogramme des pages intérieures
Notre Galaxie, la Voie lactée.
NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC)
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Gérard Sanchez, Gérard Santarini
Iconographie
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Suivi de fabrication
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© 2009 CEA
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Siège social : Bâtiment Le Ponant D,
25 rue Leblanc, 75015 Paris
103Les étoiles ensemencent l’Univers
103Les enseignements du Soleil,
par Sylvaine Turck-Chièze
143Sonder l'intérieur des étoiles,
par Rafael A. García
163Du Soleil aux étoiles,
par Allan Sacha Brun
173Voyage dans les nurseries stellaires,
par Vincent Minier, Philippe André
et Frédérique Motte
223L'origine des éléments lourds,
par Stéphane Mathis
263L'explosion des supernovae,
par Thierry Foglizzo
273Les restes de supernova,
par Anne Decourchelle et Jean Ballet
283Astres de haute énergie :
des sources de surprises,
par Sylvain Chaty, Stéphane Corbel
et Jérôme Rodriguez
313Mémo A Sonder l'Univers sur toute
la gamme lumineuse
343Les planètes : un ballet de petits
astres virevoltants avant le final
de leurs naissances
343Comment est né notre monde,
par André Brahic
403Les anneaux de Saturne :
un merveilleux laboratoire d'étude,
par Sébastien Charnoz
et Cécile Ferrari
413Les cocons des planètes,
par Pierre-Olivier Lagage,
Frédéric Masset et Éric Pantin
I. L’ASTROPHYSIQUE ET L’EXPLORATION
DE L’UNIVERS
440Les galaxies : une évolution
pleine de paradoxes
443La vie des galaxies actives,
par Marc Sauvage et Frédéric Galliano
483Un trou noir mystérieux,
par Andrea Goldwurm
503Élucider le mécanisme d'accélération
des rayons cosmiques,
par Jean Ballet, Anne Decourchelle
et Isabelle Grenier
523À la recherche des grands ancêtres,
par Emanuele Daddi
563Formation des galaxies :
une histoire paradoxale, par David Elbaz
603La morphogenèse des galaxies,
par Frédéric Bournaud
620L’Univers, une « soupe » homogène
devenue une structure hiérarchisée
623La grande histoire thermique
de l’Univers, par Dominique Yvon
653La toile d’araignée cosmique,
par Monique Arnaud
683Formation des structures de l'Univers :
le jeu des modèles, par Romain Teyssier
703L’Univers a-t-il une forme ?
Est-il fini ou infini ?,
par Roland Lehoucq
720Odyssée dans la part sombre
de l’Univers
7231. L’énigmatique matière noire
723Astrophysique et observation
de la matière noire,
par Nathalie Palanque-Delabrouille
et Roland Lehoucq
773Théorie de la matière noire,
par Marco Cirelli et Camille Bonvin
803Pourra-t-on créer un jour de la matière
noire au LHC ? , par Bruno Mansoulié
253 Avant-propos
par Catherine Cesarsky
453 Voir l'invisible : petite histoire
d'une grande conquête
par Jean-Marc Bonnet-Bidaud
18
Dans les secrets
de l’Univers
39

Avant-propos
CLEFS CEA - N° 58 - AUTOMNE 2009
2
Dans les secrets de l’Univers
Nous sommes en 2009,quatre centième
anniversaire des premières observations de Galilée,
et ceci donne lieu à une célébration internationale
dans le cadre de l'Année mondiale de l'astronomie,
proclamée par les Nations-unies et coordonnée, au
niveau mondial, par l'Union astronomique interna-
tionale (UAI) et l'Unesco. En tant que Présidente de
l'UAI, je me complais à dire que cette année célèbre
aussi l'âge d'or de l'astrophysique. En effet, les avan-
cées spectaculaires de la technologie depuis
une trentaine d'années, et l'utilisation exceptionnelle
que les astrophysiciens ont su en faire, ont amené à
un bouleversement complet de notre vision et de
notre compréhension de l'Univers et de ses compo-
santes, du comportement interne du Soleil à la
formation des étoiles et des planètes, de l'évolution
des galaxies que l’on appréhende maintenant prati-
quement sur les 14 milliards d'années de vie de
l'Univers à celle des grandes structures, ces vastes
toiles d'araignée qui traversent l’espace. La physique
fondamentale se trouve également en révolution, en
particulier la physique des particules élémentaires,
pour tenter d'identifier le moteur de l'expansion
accélérée de l'Univers et les mystérieux porteurs de
masse qui constituent la matière noire, composante
très dominante de matière dans l’Univers.
Dans cette explosion de connaissances, le CEA
tire parti de ses atouts exceptionnels pour être un
acteur conséquent, recevant une reconnaissance
internationale qui ne cesse de croître. Ainsi, trois
chercheurs du CEA impliqués dans cette thématique
ont déjà reçu des bourses ERC (pour European
Research Council). Au départ, le CEA s'est investi
dans le spatial lorsque la France et l'Europe décidè-
rent de se lancer dans les sciences spatiales. On pensa
immédiatement à la détection des rayonnements
cosmiques de haute énergie (photons X et gamma,
particules), qui ne pénètrent pas dans l'atmosphère
terrestre, et donc au CEA qui, en raison de sa
mission principale, détenait une expertise reconnue
dans la détection de ces rayonnements. Le CEA fut
d'emblée l'un des principaux laboratoires européens
à embarquer des détecteurs de rayonnements de
haute énergie sur des ballons, des fusées puis des
satellites.
Aux côtés des chercheurs et ingénieurs dévelop-
pant des instruments se greffèrent des astrophysi-
ciens qui raffermirent le lien entre le savoir-faire
expérimental et l'interprétation des résultats en
termes d'avancées des connaissances sur l'Univers.
Au fil des ans, cette collaboration fructueuse amena
une forte augmentation de la capacité, pour le CEA,
à proposer des instruments et les missions les mieux
à même de résoudre les problèmes les plus brûlants,
ce qui lui permit d'être sélectionné par des instances
nationales et internationales pour de nombreux
instruments dans l'espace et au sol. Notons, par
exemple, le grand succès de la caméra aux rayons
gamma Sigma embarquée sur un satellite russe, et
qui découvrit les microquasars, trous noirs de masse
stellaire qui sont le siège de phénomènes analogues
à ceux étant à l’œuvre dans les quasars.
L. GODART/CEA

CLEFS CEA - N° 58 - AUTOMNE 2009 3
« Le CEA tire parti de ses atouts
exceptionnels pour être un acteur
conséquent, recevant une reconnaissance
internationale qui ne cesse de croître.»
L’intérêt vers de nouvelles thématiques scien -
tifiques, tels le contenu en gaz des galaxies et
l’étude de la formation des étoiles, ainsi que l’op-
portunité de tirer profits de synergies avec les
équipes de la Direction de la recherche technolo-
gique (DRT), amena les astrophysiciens du CEA à se
lancer aussi dans l’astronomie infrarouge au début
des années 80. L’Agence spatiale européenne (ESA)
préparait le premier observatoire infrarouge spatial,
ISO, et le CEA avait la possibilité de prendre la
responsabilité principale d’un instrument phare,
la caméra. Il fallait pour cela disposer de matrices de
détecteurs infrarouge qui, à cette époque, ne
pouvaient être importés des USA. Ces détecteurs
demandaient un développement spécifique pour
pouvoir fonctionner avec un faible fond et le
Laboratoire infrarouge du Leti se lança dans l’aven-
ture, avec succès. Les résultats d’ISOCAM sur la
formation des étoiles et l’évolution des galaxies,
démontrant que les sursauts de formation d’étoiles
et les galaxies à très fort flux infrarouge étaient beau-
coup plus fréquents dans le passé, ont révolutionné
le sujet. Aujourd’hui, un très grand nombre d’as-
trophysiciens de par le monde étudient les diverses
étapes d’évolution des galaxies ; les résultats
d’ISOCAM ont été confirmés et considérablement
étendus par le satellite américain Spitzer et l’on
attend maintenant des avancées importantes avec le
satellite Herschel, qui vient d’être lancé. Pour
Herschel, la DRT a développé des matrices de détec-
teurs novateurs, également utilisés au sol sur le
radiotélescope APEX, et la Direction des sciences de
la matière (DSM) a participé très activement à la
construction de deux des trois instruments.
L’astronomie au sol, aussi, a fait de grandes avan-
cées et il est devenu nécessaire d’en développer les
instruments avec des méthodes quasi industrielles.
Le savoir-faire acquis par le CEA avec le spatial fit
qu’il a pu également déployer un instrument d'en-
vergure, VISIR, sur l'un des télescopes géants du
VLT, qui amène des informations uniques sur les
disques protostellaires où se forment les planètes.
Les chercheurs de l'Institut de recherche sur les lois
fondamentales de l’Univers (Irfu) sont aussi forte-
ment impliqués dans la cosmologie et mènent des
études observationnelles depuis le sol avec la caméra
MEGACAM qu'ils ont construite pour le télescope
CFHT, et depuis l'espace avec XMM-Newton, en
attendant la large moisson de données sur le fond
du ciel cosmologique espérée du satellite Planck.
Aujourd’hui, le CEA a également acquis de
fortes compétences en simulations numériques.
Ceci permet des avancées importantes dans des
sujets aussi étudiés depuis le sol et l’espace par les
chercheurs du CEA. Ainsi, après le succès de l’ex-
périence GOLF, qui a mesuré les oscillations du
Soleil, une modélisation détaillée de l’intérieur de
notre étoile se trouve en cours. L’accélération des
rayons cosmiques est aussi simulée, en synergie avec
les observations de satellites, à l’instrumentation
desquels le CEA a aussi participé (XMM-Newton et
INTEGRAL) et d’autres, où il est associé à la
science, tels le récent satellite Fermi et, au sol, HESS,
qui détecte les rayons gamma de haute énergie avec
une bonne précision de positionnement. Les résul-
tats les plus spectaculaires concernent les simula-
tions de l’évolution des grandes structures de
l’Univers. Elles mettent en valeur l’importance de la
chute de courants de gaz froid dans les régions où
la masse s’assemble, et permettent de mieux
préparer les missions futures de mesures des
propriétés de la matière noire et de l’énergie noire
au sein desquelles le CEA joue un rôle moteur.
L’avenir proche s’annonce brillant, avec l’ex-
ploitation continue de XMM-Newton – qui, entre
autres, amène au CEA des résultats extraordinaires
sur les amas de galaxies – d’INTEGRAL, de Fermi,
des instruments au sol, et les débuts d’Herschel et de
Planck ; en parallèle, au Cern, le LHC pourrait percer
le mystère de la nature de la matière noire. En même
temps, le CEA joue un rôle majeur dans la concep-
tion d’une caméra/spectromètre infrarouge,
destinée au JWST, l’ambitieux successeur de Hubble,
pour un nouvel instrument en astronomie gamma,
réalisé en coopération avec la Chine, et en principal
promoteur pour l'Europe d'une nouvelle mission de
cosmologie.
Pour l’avenir plus lointain, de nombreuses possi-
bilités se profilent dans le spatial, et la chasse aux
neutrinos de haute énergie depuis le fond des mers
va commencer. La grande aventure cosmique du
CEA va se poursuivre.
>Catherine Cesarsky
Haut-commissaire à l’énergie atomique.

Dans les secrets de l’Univers
CEA
CEA
CLEFS CEA - N° 58 - AUTOMNE 2009
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Pendant plus de 2 000 ans, les astronomes ont été dans l’ignorance des lumières
baignant le cosmos, excepté, bien sûr, de la lumière visible. Et pour cause : la plupart
des rayonnements ne parviennent pas à franchir la barrière que leur oppose l’atmosphère.
Dépasser cet obstacle supposait des instruments adaptés : d’abord des ballons puis
des fusées et enfin des satellites.
Voir l’invisible: petite histoire
d’une grande conquête
Le 27 janvier 1959, face à la corniche des Maures,
sur l’île du Levant qui appartient à la commune
d’Hyères (Var), un événement se prépare qui va
compter dans l’histoire de l’astrophysique française.
En fin d’après-midi, dans le secret de la base navale,
un mince trait lumineux s’élève dans le ciel avant de
se perdre rapidement dans les nuages. S’agit-il d’un
lancement pour expérimenter une arme destinée à la
force de dissuasion nationale ? Rien de tel ! Mais un
missile reconverti qui emporte, à plus de 100 kilo -
mètres d’altitude, la première expérience française
d’astrophysique spatiale issue des laboratoires du CEA.
Le CEA pionnier dans l’espace
L’épopée spatiale du CEA commence presque en
même temps que la fondation de l’organisme. En effet,
le 18 octobre 1945, le gouvernement de la France
approuve l’ordonnance, élaborée par le conseiller
d’État Jean Toutée, pour fonder le CEA voulu par le
général de Gaulle afin « […] de poursuivre les recher-
ches scientifiques et techniques en vue de l’utilisation de
l’énergie atomique dans divers domaines de la science,
de l’industrie, de la défense nationale ». Nul ne se doute
encore que ce nouvel organisme de recherche
deviendra un formidable creuset de compétences sur
la découverte de l’Univers. Et pourtant…
Le 2 janvier 1946, le général de Gaulle nomme au poste
de haut-commissaire du CEA Frédéric Joliot, prix
Nobel de chimie, en 1935, avec son épouse Irène Curie,
pour leur découverte de la radioactivité artificielle.
Cette nouvelle propriété de la matière se caractérise
par la désintégration du noyau de l’atome, lequel émet
alors d’étranges rayonnements, jusqu’ici inconnus et
baptisés : alpha, bêta et gamma, faute d’imagination.
Si les deux premiers sont, en réalité, des particules
(noyaux d’hélium et électrons), en revanche, le troi-
sième d’entre eux va bientôt se révéler comme la plus
puissante forme de lumière existante dans la nature.
Dès lors, les ingénieurs du CEA mettront toute leur
énergie à concevoir des instruments capables de capter
et de mesurer ces rayonnements. Pendant plusieurs
années, ces études se font en laboratoire, mais la date
du 4 octobre 1957 marque une véritable révolution
pour ces scientifiques : la mise en orbite de Sputnik
puis, quelques années plus tard, en 1961, le premier vol
dans l’espace du Soviétique Iouri Gagarine qui ouvre
l’exploration spatiale. D’où le lancement réalisé, le
27 janvier 1959, sur l’île du Levant, avec une fusée
Daniel, initialement conçue par l’Office national
d’étude et de recherches spatiales (Onera).
Bien sûr, cette mission, dirigée par le physicien Jacques
Labeyrie, doit répondre prioritairement aux interro-
gations posées par les expérimentations nucléaires
Découverte du rayonnement gamma des pulsars. Charge et ballon stratosphérique
à Aire-sur-l’Adour (juillet 1969).
La première expérience spatiale du CEA, le 27 janvier 1959.
Un compteur Geiger a été installé à bord d’un missile pour
une des premières mesures des rayons gamma du ciel.