Vague A : Campagne d`évaluation 2014 - 2015 Unité de

Section des unités de recherche
Vague A : Campagne d’évaluation 2014 - 2015
Unité de recherche
Institut de Recherche en
Astrophysique et Planétologie
IRAP
Dossier d’évaluation
Nom de l’unité : Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie
Acronyme : IRAP
Nom du directeur pour le contrat en cours : Martin GIARD
Type de demande :
Renouvellement à l’identique OUI
Restructuration □
Création ex nihilo □
Choix de l’évaluation interdisciplinaire 1 de l’unité de recherche :
Oui □
Non □
1
L'évaluation interdisciplinaire concerne les unités de recherche dont les activités relèvent au minimum de deux disciplines
appartenant à des domaines scientifiques différents (SHS, ST, SVE).
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
1
Section des unités de recherche
TABLE DES MATIERES
1
PRESENTATION DE L’UNITE
1.1
1.2
1.3
1.4
1.4.1
1.4.2
1.4.3
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
1.9.1
1.9.2
1.9.3
1.9.4
1.10
2
HISTORIQUE ET LOCALISATION
CHAMPS SCIENTIFIQUES DE L’IRAP
POLITIQUE SCIENTIFIQUE
STRATEGIE « RECHERCHE »
INSTRUMENTATION - OBSERVATIONS
EXPERIENCES DE LABORATOIRE
MODELISATION CALCUL NUMERIQUE
STRATEGIE SERVICES D’OBSERVATION
STRATEGIE ENSEIGNEMENTS
STRATEGIE ET BILAN DES RECRUTEMENT CHERCHEURS ET ENSEIGNANTS CHERCHEURS
PROFIL D’ACTIVITES
ORGANISATION ET VIE DE L’UNITE
EVOLUTION DES EFFECTIFS
EVOLUTION DES MOYENS FINANCIERS
ORGANISATION
VIE DE L’IRAP, ANIMATION, COMMUNICATION
FAITS MARQUANTS
REALISATIONS
5
5
5
6
7
7
10
10
11
11
12
13
14
14
15
16
17
21
24
2.1 GROUPE PSE : PHYSIQUE DU SOLEIL ET DES ETOILES,
27
2.1.1 INTRODUCTION ET FAITS MARQUANTS
27
2.1.2 ASTEROSISMOLOGIE ET MODELES STELLAIRES DE NOUVELLE GENERATION
29
2.1.3 MAGNETISME SOLAIRE ET STELLAIRE
30
2.1.4 PROCESSUS FONDAMENTAUX EN DYNAMIQUE DES FLUIDES ASTROPHYSIQUES ET TRANSFERT RADIATIF
32
2.1.5 EXOPLANETES
33
2.1.6 PROJETS INSTRUMENTAUX
34
2.1.7 PROJETS NUMERIQUES
35
2.1.8 RAYONNEMENT ET ATTRACTIVITE ACADEMIQUES
35
2.1.9 DIFFUSION DE LA CULTURE SCIENTIFIQUE
36
2.1.10 ORGANISATION ET VIE DU GROUPE
37
2.2 GROUPE GPPS : GEOPHYSIQUE PLANETAIRE ET PLASMAS SPATIAUX,
40
2.2.1 GENERALITES ET PHYSIONOMIE DU GROUPE.
40
2.2.2 ORGANISATION DU GROUPE.
41
2.2.3 FAITS MARQUANTS ET POINTS FORTS.
41
2.2.4 STRUCTURES ET DYNAMIQUES INTERNES
42
2.2.5 SURFACES PLANETAIRES
46
2.2.6 ENVIRONNEMENTS IONISES, PLASMA SPATIAUX
50
2.2.7 REALISATIONS ET DEVELOPPEMENTS INSTRUMENTAUX
56
2.2.8 TRANSFERTS AUPRES DU MONDE SOCIO-ECONOMIQUE
59
2.3 GROUPE MICMAC : MILIEU INTERSTELLAIRE, CYCLE DE LA MATIERE, ASTRO-CHIMIE,
62
2.3.1 INTRODUCTION
62
2.3.2 LE MILIEU INTERSTELLAIRE DANS NOTRE GALAXIE ET LES GALAXIES PROCHES :
63
2.3.3 LE CYCLE DES PETITES POUSSIERES CARBONEES ET SON IMPACT SUR LES REGIONS DE FORMATION
64
STELLAIRE
2.3.4 NOS ORIGINES : FORMATION STELLAIRE ET COMPLEXITE MOLECULAIRE.
66
2.3.5 DEVELOPPEMENTS INSTRUMENTAUX
67
2.3.6 SIMULATIONS NUMERIQUES
68
2.3.7 ASTROPHYSIQUE DE LABORATOIRE
68
2.3.8 RAYONNEMENT ET ATTRACTIVITE ACADEMIQUES
69
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
2
Section des unités de recherche
2.4 GROUPE GAHEC : GALAXIES, ASTROPHYSIQUE DES HAUTES ENERGIES, COSMOLOGIE
2.4.1 INTRODUCTION
2.4.2 COSMOLOGIE ET PHYSIQUE FONDAMENTALE
2.4.3 GALAXIES ET GRANDES STRUCTURES (GLASS)
2.4.4 L'ASTROPHYSIQUE DES OBJETS COMPACTS (APOC)
2.4.5 ACCELERATION DES PARTICULES ET PHENOMENES EXPLOSIFS (APPEX)
2.4.6 LE LABEX OCEVU
2.4.7 R&D POUR L'INSTRUMENTATION
2.4.8 CODES ET BASES DE DONNEES
2.4.9 RAYONNEMENT ET ATTRACTIVITE ACADEMIQUE
2.4.10 DIFFUSION DE LA CULTURE SCIENTIFIQUE
2.4.11 ORGANISATION ET VIE DU GROUPE
2.5 GROUPE SISU : SIGNAL IMAGE POUR LES SCIENCES DE L’UNIVERS
2.5.1 INTRODUCTION
2.5.2 PROBLEMES INVERSES, DECONVOLUTION ET RECONSTRUCTION D'IMAGES
2.5.3 SEPARATION AVEUGLE DE SOURCES
2.5.4 ANALYSE SPECTRALE ET RECHERCHE DE PERIODICITE
2.5.5 INSTRUMENTATION
2.6 ACTIONS PLURIDISCIPLINAIRES
2.6.1 PHYSIQUE FONDAMENTALE, ASTROPARTICULES ET COSMOLOGIE
2.6.2 PLASMAS ASTROPHYSIQUES,
3
IMPLICATION DE L’UNITE DANS LA FORMATION PAR LA RECHERCHE
72
72
73
74
76
78
81
82
82
83
84
84
88
88
88
89
90
90
92
92
93
4
STRATEGIE ET PERSPECTIVES SCIENTIFIQUES,
99
95
4.1 STRATEGIE GENERALE
99
4.1.1 OBJECTIFS SCIENTIFIQUES
99
4.1.2 MOYENS
102
4.1.3 ORGANISATION
104
4.2 PSE : PHYSIQUE DU SOLEIL ET DES ETOILES (GROUPE INCHANGE)
106
4.2.1 ASTEROSISMOLOGIE ET MODELE STELLAIRES DE NOUVELLE GENERATION
106
4.2.2 MAGNETISME SOLAIRE ET STELLAIRE
107
4.2.3 PROCESSUS FONDAMENTAUX EN DYNAMIQUE DES FLUIDES ASTROPHYSIQUES ET TRANSFERT RADIATIF
108
4.2.4 EXOPLANETES
109
4.3 PEPS : PLANETES, ENVIRONNEMENTS ET PLASMAS SPATIAUX (NOUVEAU GROUPE ISSU DU GPPS)
110
4.3.1 INTRODUCTION
110
4.3.2 SOLEIL ET HELIOSPHERE
110
4.3.3 COUPLAGES MAGNETOSPHERE-IONOSPHERE-ATMOSPHERE TERRESTRE
111
4.3.4 ETUDES MULTI-SATELLITAIRES DE LA MAGNETOSPHERE TERRESTRE
112
4.3.5 FONCTIONNEMENT DES MAGNETOSPHERES PLANETAIRES
112
4.3.6 SURFACES PLANETAIRES
113
4.3.7 PROJETS, MOYENS D’OBSERVATION, OUTILS ET MODELISATION
114
4.4 DIP : DYNAMIQUE DES INTERIEURS PLANETAIRES (NOUVEAU GROUPE ISSU DU GPPS)
116
4.4.1 ETUDE EXPERIMENTALE DES PROPRIETES PHYSIQUES DES MATERIAUX TERRESTRES ET PLANETAIRES A
116
HAUTE PRESSION, HAUTE TEMPERATURE
4.4.2 DYNAMIQUE INTERNE DES PLANETES
116
4.4.3 FORMATION ET DIFFERENCIATION DES PLANETES ET CORPS TELLURIQUES
117
4.4.4 SISMOLOGIE
117
4.5 MICMAC : MILIEU INTERSTELLAIRE, CYCLE DE LA MATIERE, ASTRO-CHIMIE (GROUPE INCHANGE)
119
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
3
Section des unités de recherche
4.6
4.6.1
4.6.2
4.6.3
4.6.4
4.7
5
GAHEC : GALAXIES, ASTROPHYSIQUE DES HAUTES ENERGIES, COSMOLOGIE (GROUPE INCHANGE)
122
OBJETS COMPACTS ET PHYSIQUE DE L'EXTREME :
122
FORMATION DES GALAXIES ET DES GRANDES STRUCTURES :
123
SURSAUTS GAMMA ET ASTROPHYSIQUE MULTI-MESSAGER :
124
QUESTIONS SUR LES FONDATIONS DU MODELE STANDARD EN COSMOLOGIE
125
SISU : SIGNAL IMAGE POUR LES SCIENCES DE L’UNIVERS (GROUPE INCHANGE)
127
ANNEXES DEMANDEES PAR LE HCERES
129
ANNEXE_1_Fiches_synthetiques.zip (archive compressée)
ANNEXE_1_Fiches_synthetiques.pdf (un seul fichier pdf)
Annexe 2 :
Lettre de mission contractuelle (sans objet)
ANNEXE_3_Plateformes_et_Equipements.pdf
ANNEXE_4_Organigrammes.pdf
ANNEXE_5_ReglementInterieur_IRAP.pdf
ANNEXE_6_Publications.zip (archive compressée)
ANNEXE_6_Publications.pdf (un seul fichier pdf)
ANNEXE_7_Liste_des_contrats_IRAP2011-2014.pdf
ANNEXE_8_DocUniquedEvaluationdesRisques.pdf
ANNEXE_9_donnees_du_contrat_en_cours.xlsx
ANNEXE_9_donnees_du_prochain_contrat_IRAP.xls
ANNEXE_9_Listes_signes_IRAP.pdf
6
ANNEXES PROPOSEES PAR L’IRAP
129
ANNEXE_A_bilan_departs_arrivees_permanents.pdf
ANNEXE_B_RH_Techniques_et_GroupesMetiers.pdf
ANNEXE_C_FichesProjets.zip (archive compressée)
ANNEXE_C_FichesProjets.pdf (un seul fichier pdf)
ANNEXE_D_Ressources_financieres_et_depenses.pdf
ANNEXE_E_Services_dObservation.pdf (un seul fichier pdf)
ANNEXE_E2_Fiches_Services_dObservation.zip (archive compressée)
ANNEXE_F_CST_R&D_15avril2014.pdf
ANNEXE_G_Actions_Pluridiscipinaires.pdf
ANNEXE_H_SeminaireIRAP_31mars1eravril2014.pdf
ANNEXE_I_Manuel_Qualite_IRAP.pdf
ANNEXE_J_complements_MICMAC.pdf
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
4
Section des unités de recherche
1 Présentation de l’Unité
1.1 Historique et localisation
L’IRAP, UMR 5277 de l’Université Paul Sabatier (UPS) et du CNRS est né au 1er janvier 2011
du rassemblement des équipes scientifiques et techniques du Laboratoire d’Astrophysique de Toulouse
et Tarbes (LATT), du Centre d’Etude Spatiale des Rayonnements (CESR), des équipes de
géophysique et de sismologie du laboratoire de Dynamique Terrestre et Planétaire (DTP) et de
quelques chercheurs et enseignants chercheurs du LMTG. L’IRAP est hébergé dans les locaux de
l’Université Paul Sabatier sur le campus de Rangueil à Toulouse dans deux bâtiments (Avenue Roche
et Avenue Belin) et Avenue d’Azereix à Tarbes. L’IRAP comprend environ 280 personnels : 120
chercheurs et enseignants chercheurs, 70 ingénieurs et techniciens permanents, 35 CDD ingénieurs et
techniciens, 20 post-doctorants et 40 doctorants.
L’IRAP rassemble ainsi à l’Observatoire Midi Pyrénées (OMP, composante de l’UPS)
l’ensemble des forces scientifiques académiques en Midi Pyrénées dans le domaine de l’astrophysique
et de la planétologie. C’est la plus grande unité de recherche de ce secteur disciplinaire en France. Les
motivations pour créer l’IRAP reposaient principalement sur la nécessité de mélanger les différentes
pratiques méthodologiques (marquées par l’instrumentation sol au LATT, l’instrumentation spatiale au
CESR, l’analyse de terrain et l’expérimentation en laboratoire au DTP) afin d’aborder les grandes
questions que nous pose l’observation de l’Univers et de ses objets à partir de toute la panoplie des
outils disponibles aujourd’hui. Il s’agissait aussi d’atteindre une masse critique plus grande afin de
pouvoir prétendre à un meilleur leadership dans les projets futurs, ainsi qu’à une meilleure visibilité et
une meilleure attractivité vis à vis de la compétition nationale et internationale. Très fortement
impliqué dans les enseignements de l’UPS, l’IRAP a hérité de relations privilégiées en recherche et en
enseignement avec les écoles et formations d’ingénieur de Toulouse (ISAE, INSA, INP et CNAM) et
de Tarbes (ENIT). Celles ci se renforcent aujourd’hui dans le cadre de la toute nouvelle COMmunauté
d’Universités et d’Etablissements en Midi Pyrénées (COMUE) qui rassemble 3 Universités et 11
Ecoles d’ingénieurs.
1.2 Champs scientifiques de l’IRAP
Les champs scientifiques de l’IRAP se déploient dans les thématiques astrophysique,
planétologie et géophysique, et pour ce qui concerne les méthodologies à travers la modélisation,
l’instrumentation, l’observation astronomique, la sismologie, le traitement du signal et de l’image et
les expériences de laboratoire. A ce titre l’IRAP est rattaché à titre principal à la direction adjointe
Astronomie – Astrophysique de l’Institut National des Sciences de l’Univers (INSU) du CNRS, mais
il bénéficie aussi d’un lien fort avec la direction adjointe Terre Solide de l’INSU, et d’un rattachement
secondaire à l’Institut des Sciences de l’Ingénierie et des Systèmes (INSIS). Les objectifs finalisés
couvrent la recherche de réponses aux grandes questions qui se posent sur l’Univers et les objets qui le
constituent, depuis l’intérieur des corps solides et planétaires (Terre comprise) jusqu’au Big-Bang et
les origines de l’Univers. Ces champs thématiques sont abordés par la confrontation de l’observation
et de la modélisation, cette dernière pouvant s’appuyer sur une caractérisation au laboratoire des
processus physiques (surfaces et intérieurs planétaires, milieu interstellaire).
Outre ces objectifs de recherche fondamentale en astrophysique et planétologie partagés par
l’ensemble de nos chercheurs et enseignants chercheurs (sections 7, 17 et 18 du CNRS, sections 34, 35,
61 et 63 du Conseil National des Universités, CNU), la cohésion de l’IRAP est aussi très largement
assurée par un corps d’ingénieurs et de techniciens permanents hautement qualifiés tournés vers
l’innovation instrumentale pour les observatoires au sol et dans l’espace, ainsi que pour les missions
d’exploration du système solaire et de ses planètes. Ils s’appuient sur des moyens techniques adaptés à
la construction, aux tests et étalonnage de ces instruments (salles propres, cuves de tests et étalonnage
sous vide et en conditions thermiques extrêmes, hall d’intégration des nacelles ballon, etc.). Plusieurs
filières instrumentales font la renommée de nos équipes : i) les systèmes optiques pour les
observatoires sol avec un leadership dans la construction de spectro-polarimètres optiques et
infrarouges, ii) les analyseurs spatiaux de particules chargées ou neutres, iii) les plans de détection
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
5
Section des unités de recherche
pixélisés et leur systèmes électroniques hautement intégrés pour les grands observatoire spatiaux des
domaines infrarouge, X et gamma, iv) l’instrumentation suborbitale (ballons stratosphériques).
Bien que nous n’ayons pas la charge du Télescope Bernard Lyot au Pic du Midi, les équipes de
l’IRAP en font un usage privilégié (fabrication, jouvence et renouvellement de l’instrumentation et
soutien aux observations). Au sein de l’OMP nous nous appuyons largement non seulement sur les
services communs mutualisés, mais aussi sur le bureau d’études « groupe d’instrumentation spatiale».
La proximité du « Centre Spatial de Toulouse » nous permet de bénéficier de relations privilégiées
avec le CNES qui assure la plus grande partie des ressources propres de l’IRAP, et avec lequel nos
personnels travaillent parfois en équipes intégrées. Finalement, nous entretenons des relations
fructueuses avec l’ensemble des PME et grandes industries du secteur spatial en région Midi Pyrénées
qui interviennent très souvent en partenariat ou en sous-traitance sur nos réalisations instrumentales et
au sein desquelles certains de nos jeunes docteurs trouvent un emploi.
1.3 Politique scientifique
Installé au cœur d’une métropole résolument tournée vers l’espace, l’IRAP est la plus grande
Unité de recherche de la discipline sur le territoire national. L’IRAP possède un réseau de
collaborations internationales qui se déploie sur toute la planète avec les établissements les plus
prestigieux et les plus grandes agences : Max Planck Society, University of California, Cal. Tech.,
Université de Padoue, University of London, Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC),
Stanford University, Université de Genève, University College London, Université de Rome Tor
Vergata, Université de Trieste, INFN et University of Cambridge, pour ne mentionner que les
établissements avec chacun desquels l’IRAP cosigne plus de 10% de ses publications ; ESA, ESO,
CFHT, NASA-JPL/GSFC, DOE, JAXA, CNSA pour les observatoires et agences qui nous accordent
leur confiance en nous confiant des réalisations instrumentales pour leurs télescopes ou leurs missions.
Dans ce contexte, notre ambition est d’être reconnus comme l’un des plus grands pôles internationaux
d’enseignement et de recherche en astrophysique et planétologie sol-espace.
La politique scientifique de l’IRAP s’appuie sur une grande richesse thématique structurée en
cinq groupes :
-
Physique du Soleil et des Etoiles (PSE, lire en section 2.1)
Géophysique Planétaire et Plasmas Spatiaux (GPPS, lire en section 2.2)
Milieu Interstellaire, Cycle de la Matière, Astro-Chimie (MICMAC, lire en section 2.3)
Galaxies, Astrophysique des Hautes Energies, Cosmologie (GAHEC, lire en section 2.4)
Signal Image pour les Sciences de l’Univers (SISU, lire en section 2.5)
Cette diversité thématique découle naturellement de la taille de l’IRAP. Elle constitue un double
atout. Tout d’abord par le contact entre les différentes spécialités, l’interdisciplinarité devient de fait
vivace à l’intérieur de l’IRAP et de ses groupes thématiques où elle est encouragée par les actions
incitatives annuelles et les actions pluridisciplinaires courant sur le mandat en cours (lire en section
2.6). Ensuite, dans un contexte programmatique hautement compétitif, cette diversité permet d’assurer
la pérennité du plan de charge du corps technique de l’IRAP et de l’alimenter avec des réalisations
instrumentales et des R&D au meilleur niveau.
Les activités scientifiques de l’IRAP, et les priorités faites, sont en phase avec les grandes
questions identifiées dans les derniers exercices de prospective réalisés à l’initiative de nos
communautés au niveau français (INSU : prospective Astronomie Astrophysique – La Londe les
Maures 2009 et Sciences de la Terre - Aussois 2008) ou européen (ASTRONET), ou à l’initiative des
agences spatiales (ESA Cosmic Vision, CNES 2014). Si l’on prend par exemple la liste des quatre
grandes questions identifiées par l’exercice sol-espace ASTRONET, nos groupes thématiques s’y
inscrivent de la façon suivante pour ce qui est de leurs activités principales :
A/ Do we understand the extremes of the universe?
B/ How do galaxies form and evolve?
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
GAHEC
GAHEC, SISU
6
Section des unités de recherche
C/ What is the origin and fate of stars and planetary systems?
D/ How do we fit in?
PSE, MICMAC, SISU,
GAHEC, GPPS
GPPS
L’équipe de sismologie et géophysique interne du GPPS s’investit quant à elle clairement pour
trois des grands enjeux mis en avant par la prospective des INSU des Sciences de la Terre : « Les
origines », « Structure de dynamique de la Terre », « Risques naturels ».
Le groupe SISU, par nature méthodologique, contribue aussi grâce à ses nombreuses
collaborations, à des recherches en dehors des thématiques IRAP, en particulier dans le domaine de
l’observation de la Terre.
A l’échelon local, nos activités s’inscrivent particulièrement bien dans la stratégie de recherche
de l’UPS, principalement dans l’axe stratégique #8 « Système Terre, planètes et étoiles : observation
et mécanismes », mais aussi dans les axes stratégiques #5 « Modélisation, simulation numérique,
modèles de calcul, calcul intensif » pour ce qui touche à la modélisation numérique des étoiles et des
plasmas, #7 « Atomes, molécules et nano-objets : du concept à l’expérience » pour les activités liées à
l’étude des nano-objets interstellaires, #12 « Instruments et Instrumentation extrêmes » pour
l’instrumentation spatiale, et #6 « Des masses de données à la connaissance dans la société,
l’exploration spatiale, la biologie et la santé ». Par ailleurs, nos activités d’innovation dans
l’instrumentation spatiale se placent dans l’un des 6 domaines de « spécialisation intelligente » définis
par la région Midi Pyrénées pour la période 2014 – 2020 (« systèmes embarqués ») et dans l’un des 10
grands défis de la stratégie nationale de recherche (« Une ambition spatiale pour l’Europe »). +
« sociétés sûres » Horizon 2020.
Nos trois principales missions sont la recherche (section 1.4), les services d’observation
(section 1.5) et l’enseignement (principalement au niveau Master et Doctorat, section 1.6, et section
3). Celles-ci sont bien entendu largement couplées les unes avec les autres. Par exemple nos services
d’observations découlent souvent de nos projets instrumentaux, et inversement les services
d’observation dont nous avons la charge alimentent de façon préférentielle nos axes thématiques. En
matière d’encadrement doctoral le couplage se fait de façon naturelle par les sujets que nous
proposons et qui sont d’une certaine façon le fer de lance de notre prospective scientifique. Finalement,
un couplage naturel est assuré entre les services d’observations et les enseignements à l’Université par
le statut d’enseignant chercheur des personnels du CNAP.
1.4 Stratégie « Recherche »
Notre objectif in fine est d’installer l’IRAP de façon pérenne au plus haut niveau de la
compétition internationale.
Convaincus de la nécessité d’un meilleur équilibre entre instrumentation-observations,
modélisation et expériences de laboratoire, notre stratégie a été de préserver le cœur de nos métiers
instrumentaux, tout en consolidant fortement nos expériences de laboratoire installées sur deux platesformes internes (planétologie et nano-grains, lire en section 1.4.2) et en apportant un appui marqué à
la modélisation numérique lourde (section 1.4.3).
1.4.1
Instrumentation - Observations
Dans un contexte de pénurie des moyens humains nous avons donné la plus haute priorité à
l’exploitation de nos instruments opérationnels et à la réalisation des projets et des R&D décidés. Les
« grands projets » de l’IRAP en terme de ressources humaines affectées sur la période 20112014 auront été (cf Figure 1 ci dessous, et Annexe H 2) : TARANIS, Solar Orbiter, PILOT, MUSE et
BEPI-COLOMBO pour la construction d’instruments décidés; OVGSO, CDPP, INTEGRAL,
PLANCK et HERSCHEL pour le support à l’exploitation de nos instruments opérationnels.
Deux postes IT CNRS ont été défendus et obtenus pour appuyer nos projets en 2011 puis 2012:
NOEMI IE BAP E affecté aux projets PLANCK et MUSE (poste perdu depuis car l’agent a quitté le
2
ANNEXE_B_RH_Techniques_et_GroupesMetiers.pdf
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
7
Section des unités de recherche
Figure 1 : affectation des ressources humaines « techniques » de l’IRAP aux projets et services (IT, BIATSS, CDD et
prestataires hébergés).
CNRS en 2013) ; Concours IR BAP C en conception mécanique des instruments spatiaux affecté au
projet SOLAR-ORBITER. De plus un poste d’IGR BAP E a été obtenu à l’UPS en 2012 pour
stabiliser un agent IE employé sur poste gagé sur ressources propres (Loi Sapin) et contribuant à
l’exploitation du satellite INTEGRAL (instrument SPI).
En 2013 nous n’avons obtenu aucune ouverture de poste IT de la part du CNRS alors que 6
agents (dont 4 ingénieurs en instrumentation) prenaient leur retraite. Cet arbitrage très dur du CNRS
en défaveur de l’IRAP a généré de graves tensions dans les projets et une démoralisation des
personnels. Nous avons dû prendre en interne des arbitrages difficiles vis à vis des projets ne
présentant pas un degré d’urgence comme les R&T. Nous avons toutefois bénéficié cette année-là de
la CDIsation par le CNRS d’un agent CDD au titre de la loi Sauvadet. Le poste ainsi créé est un poste
de type « gestion de documentation et support projet » affecté aux projets SPIRou et aux contrats
européens (EUROPLANET, NANOCOSMOS).
En 2014 nous bénéficions de deux ouvertures de postes IT CNRS qui devraient nous permettre
de consolider le corps technique de l’IRAP: un poste NOEMI IE BAP C en instrumentation
électronique qui sera affecté aux projets prioritaires (support de poste récupéré en cours de campagne
NOEMI suite à une opération de mutualisation du pilotage des services informatique au niveau de
l’OSU), et un concours IR BAP C instrumentation intégration et tests qui sera affecté aux projets
PILOT (et EUSO-ballon). Finalement, un technicien en électronique de l’UPS sera affecté cette année
à l’IRAP suite à une restructuration des services dans son unité d’origine.
Pour la mise en place des nouveaux projets, notre principal objectif a été d’augmenter de façon
très significative le leadership de l’IRAP. C’est ainsi que nous avons apporté un soutien affirmé aux
projets pour lesquels nos équipes se positionnaient en tant que leader (niveau PI ou CoPI). Ceci
concerne les projets instrumentaux CFHT/SPIRou, SVOM/ECLAIR, JUICE/CEPAGE,
SPICA/SAFARI, ATHENA/X-IFU, MARS2020/SUPERCAM et CTA. Même si nos efforts n’ont pas
tous été couronnés de succès (échec de la proposition CEPAGE, absence d’engagement pour SPICA),
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
8
Section des unités de recherche
ou que certaines actions ne sont pas encore concrétisées au niveau souhaité (observatoire CTA), les
responsabilités acquises nous donnent pour les 15 prochaines années la garantie d’un leadership au
meilleur niveau de la compétition internationale. Elles laissent toutefois de la place pour des
collaborations de type CoI sur un panel de projets qui alimentent l’ensemble des équipes de l’IRAP
ainsi qu’à des R&D préparatoires des projets futurs (cf ANNEXE_F_CST_R&D_15avril2014.pdf )
En ce qui concerne le spectro-polarimètre infrarouge SPIRou, avec l’aide de l’UMS-OMP nous
avons soutenu en moyens matériels et humains ainsi que par une action politique vigoureuse au plus
haut niveau, l’équipe proposante pendant les deux années de remise en cause de sa programmation par
le CFHT (2011-2013). Finalement cet instrument est aujourd’hui décidé pour construction et première
lumière en 2017. Des financements complémentaires à celui du CFHT ont été obtenus auprès des
IDEX et des universités, avec un très fort soutien de la part de l’UPS. De façon similaire nous avons
soutenu l’équipe du projet SVOM alors que cette mission franco-chinoise connaissait un aléa
programmatique grave qui a impliqué le gel de la mission côté français sur la période 2012 – 2014. Le
projet redémarre aujourd’hui pour un lancement en 2020, après une phase d’activités maintenues au
plus juste niveau, mais avec un meilleur positionnement de l’IRAP en PI de la caméra gamma
ECLAIRs. La mission vers les lunes glacées de Jupiter, JUICE, proposée à l’origine sous leadership
Toulousain (LAPLACE-EJSM), a été sélectionnée en 2011 par l’ESA pour un lancement en 2022
(mission L1 du programme Cosmic Vision). Nous avons donc vigoureusement soutenu l’équipe de
l’IRAP proposante PI d’une suite instrumentale de caractérisation des particules : CEPAGE. Celle-ci
était la première priorité du CNES pour cette mission. Notre proposition n’a malheureusement pas été
sélectionnée par l’ESA, et nos équipes apporteront finalement une contribution réduite à la suite
instrumentale sélectionnée (PI suédois) afin de bénéficier tout de même d’un bon retour scientifique.
En 2013, une équipe scientifique de l’IRAP s’est impliquée au plus haut niveau pour porter en coleadership avec le MPE-Garching le thème « The Hot and Energetic Universe » (observatoire spatial
ATHENA) qui a finalement été sélectionnée pour la mission L2 du programme Cosmic Vision de
l’ESA. Fort de ce succès, l’IRAP a pris appui sur un partenariat historique fort avec le SRON
(Hollande) développé dans le cadre des préparations aux missions IXO/XEUS et SPICA/SAFARI
pour se positionner en PI de l’instrument focal X-IFU sous maitrise d’œuvre du Centre Spatial de
Toulouse (CNES). En 2014, tirant profit du succès de notre collaboration avec le JPL pour
l’instrument CHEMCAM, nos équipes ont proposé l’instrument de spectroscopie LIBS-Raman
SUPERCAM pour la mission MARS 2020 de la NASA. Cette proposition faite sous maitrise d’œuvre
JPL bénéficie d’une R&D concernant un laser embarqué menée en partenariat avec l’industrie, d’un
appui fort du GIS-OMP et d’une collaboration soutenue avec le LAB (Bordeaux). Finalement, en ce
qui concerne CTA (Cerenkov Telescope Array) le projet de très grand observatoire des photons de
haute énergie, celui-ci est en cours d’implémentation programmatique dans les pays de la
collaboration pour une première lumière visée dans le début des années 2020. Même si l’IRAP n’a pas
encore pu y consacrer des moyens techniques suffisants, nos équipes scientifiques possèdent un
leadership reconnu qui justifie pleinement un accroissement conséquent de notre participation à court
et moyen terme (lire en section 2.4.5.4).
Les projets instrumentaux bénéficient tout d’abord à l’IRAP d’un corpus de personnels
techniques motivés et hautement qualifiés dans les domaines de la mécanique, l’électronique,
l’instrumentation, l’informatique et la gestion et le management des projets. Ils peuvent prendre en
charge tout ou partie d’un instrument depuis sa conception jusqu’à son exploitation, en passant par sa
construction, son intégration, ses tests et étalonnages. Tous ces instruments sont réalisés en liaison
avec les laboratoires partenaires et les agences, en s’appuyant de façon notable sur le tissu industriel
pour un grand nombre de sous-traitances (environ la moitié du coût consolidé de nos réalisations). En
fondant l’IRAP, nous avons mis en place une structuration du corps technique en groupes métiers.
Pour les cinq métiers techniques de l’IRAP ces groupes sont les lieux d’animation et de prospective de
chacun de ces métiers. Les responsables des groupes métiers sont en lien direct avec la direction
technique de l’IRAP et ils participent au Comité des Projets et Services (CPS, lire en section 1.9.3).
Les projets instrumentaux bénéficient aussi d’infrastructures lourdes de l’IRAP listées en
annexe : ANNEXE_3_Plateformes_et_Equipements.pdf Ces équipements disposés en plateaux
techniques ou dans des salles propres permettent à nos équipes de réaliser, de tester et d’étalonner
leurs instruments conformément aux exigences des agences contractantes (CNES, ESA, NASA, CFHT,
ESO). Pour le mandat en cours nous avons largement rénové grâce à des financements du CNES les
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
9
Section des unités de recherche
plateaux techniques pour le développement des instruments spatiaux du bâtiment Roche ainsi que le
grand hall blanc d’intégration (réfection à neuf de la couverture extérieure qui n’était plus étanche et
du revêtement intérieur qui s’émiettait). Sur la même période nous avons bénéficié de la construction
du bâtiment P2IS (Plate-forme d’Ingénierie et d’Instrumentation Spatiale) sur financement CPER.
Celui-ci est attenant au bâtiment Roche et il comprend 4 salles blanches supplémentaires (classes 100
000 à 10 000) ainsi que les locaux nécessaires pour accueillir les équipes projet qui viendront intégrer
et tester leurs instruments. Dans l’une de ces 4 nouvelles salles blanches nous sommes en train
d’installer le nouveau banc d’étalonnage des instruments de caractérisation des plasmas spatiaux
(CALIPSO). On peut considérer que l’IRAP dispose aujourd’hui pour l’ensemble de ses projets
instrumentaux sol ou spatiaux de plateformes techniques neuves ou rénovées au meilleur niveau.
Finalement, pour ce qui concerne le support technique à l’exploitation scientifique des
observations de nos instruments, nous avons créé une structure d’animation et de management dédiée :
l’Observatoire Virtuel du Grand Sud Ouest (OV-GSO) décrite en section 1.5 ci-dessous (stratégie
services d’observation).
1.4.2
Expériences de laboratoire
Les expériences de laboratoire sont un élément clef de la politique scientifique de l’IRAP. Elles
apportent à la modélisation des phénomènes observés des données de caractérisation des processus
physiques complètement inédites qui seules permettent souvent de lever les ambiguïtés présentées par
les observations d’astronomie, de planétologie ou de sismologie.
Elles sont soutenues et développées à l’IRAP sur deux plateformes : « planétologie » (site
Belin) et « nano-grains » (site Roche).
La plate-forme de planétologie a été installée à la création de l’IRAP sur le site Belin. Elle
regroupe une diversité d'expériences de laboratoire capables de recréer des conditions rencontrées en
surface et à l’intérieur des corps rocheux du système solaire. Les thématiques abordées sont
nombreuses, incluant notamment l'étude des interactions chimiques entre silicates et métaux à haute
pression et haute température lors de la formation de noyaux planétaires, la déformation et la viscosité
des minéraux des manteaux planétaires, les cinétiques de nucléation et de croissance cristalline à partir
de liquides volcaniques, les interactions chimiques eau-gaz-roche qui mènent à l'altération
minéralogique, et l'interaction lumière-matière nécessaire pour l'interprétation des données
spectroscopiques ou polarimétriques issues de l'exploration spatiale. Au-delà de l’installation
matérielle dans des locaux adaptés et rénovés, nous avons obtenu en 2012 l’ouverture par le CNRS
d’un poste d’ingénieur d’étude (BAP C) affecté au développement et au fonctionnement de cette
plateforme qui était démunie de ressources humaines techniques.
La plate-forme nano-grains comprend deux dispositifs : i) le piège à ions moléculaires
PIRENEA qui est consacré à la caractérisation des processus physico-chimiques impliquant les
grandes molécules aromatiques en conditions de vide non collisionnel ; ii) le spectromètre ESPOIR
dédié à la mesure des propriétés optiques des analogues de grains interstellaires à basses températures
dans les domaines infrarouge et submillimétriques qui a été installé dans des locaux libérés au sous sol
du bâtiment Roche. L’ensemble de ces activités connaît aujourd’hui une jouvence et un renforcement
notoire grâce au projet ERC de type « Synergie » NANOCOSMOS (2014 – 2019). Ce projet européen
pourra bénéficier de l’installation de tous ces équipements en une plateforme connexe complètement
rénovée en cours d’installation dans le sous-sol du bâtiment Roche.
1.4.3
Modélisation Calcul numérique
La modélisation des objets et milieux astrophysiques par le calcul numérique lourd est une
activité pratiquée dans toutes les équipes de l’IRAP, mais plus particulièrement dans le groupe PSE
dont c’est la principale méthodologie pour l’étude du fonctionnement interne des étoiles, et dans le
groupe GPPS pour la compréhension des processus non collisionnels dans les plasmas astrophysiques
magnétisés ainsi que pour l’étude de la dynamique interne du globe terrestre. Au total nous avons
environ une trentaine de chercheurs à l’IRAP qui développent des modèles numériques lourds
exploités sur les grands centres de calcul. Ces équipes ont participé très activement à la définition de la
politique régionale en matière de moyens de calcul et au renouveau du centre de calcul CALMIP dans
le cadre de l’EquipEX Equip@MESO et du dernier contrat de plan Etat Région. A l’heure où le
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
10
Section des unités de recherche
nouveau calculateur va être installé dans les murs de l’Espace Clément Ader, l’un de nos chercheurs
vient de prendre la direction scientifique de scientifique de l’UMS 3667 qui remplace depuis 2014 le
groupement CALMIP.
Convaincus du potentiel scientifique de ces équipes et de la nécessité d’une expertise en calcul
scientifique de haut niveau pour que celles-ci continuent à développer, à maintenir et à diffuser des
codes numériques au meilleur niveau mondial, nous avons soutenu comme l’une de nos toutes
premières priorités leur demande d’ouverture d’un poste d’ingénieur de recherche. Compte tenu des
restrictions sévères que connaît le CNRS en matière d’emploi, nous avons finalement obtenu en 2014
l’ouverture par l’INSU d’un CDD de trois ans au niveau IR et le poste est pourvu depuis juin 2014.
Pérenniser cette expertise au sein de l’IRAP est un de nos objectifs prioritaires.
1.5 Stratégie Services d’observation
L’IRAP est investi dans de nombreux Services d’Observation de l’OMP labellisés par l’INSU
dans les domaines Astronomie Astrophysique et Terre Solide. Afin de créer des synergies entre les
différents SO de l’IRAP sur la base de spécificités méthodologiques communes, nous les avons
organisés en quatre grands domaines d’activités. Ceux ci ne correspondent pas strictement à la
nomenclature INSU puisque par exemple les activités de traitement et de mise à disposition des
données peuvent faire partie d’une contribution au service d’une instrumentation spatiale en cours
d’exploitation donc labellisée SO2 ou SO4 et non SO5.
- SISol - Instrumentation sol : AA-SO2, SO3 ou SO6
- SISpace - Instrumentation spatiale : AA-SO2 ou SO6
- OV-GSO - Traitement et m.à.d. des données : AA- SO2, SO4, SO5 ou SO6
- Sismologie et géodésie : TS-SO2 ou SO3
Un état des lieux détaillé de nos responsabilités et de nos contributions à ces services
d’observation est fourni dans les documents annexés :
ANNEXE_E1_Services_dObservation.pdf
ANNEXE_E_Services_dObservation.pdf
ANNEXE_E2_Fiches_Services_dObservation.zip
(SO de l’IRAP-OMP et moyens consacrés)
(Annexe E1 + intégralité des fiches SO)
(fiches SO en une archive .zip)
Environ 120 personnels permanents de l’IRAP, c’est à dire les 2/3, s’impliquent dans 33
services d’observation labellisés, pour un total de 50 équivalents temps plein (etp). Pour la moitié de
ces contributions nous en sommes les responsables nationaux.
Contrairement à l’instrumentation (sol ou espace) et à la sismologie qui étaient de fait déjà
fortement structurées par les projets et une forte implication des corps techniques de l’IRAP,
l’ensemble de nos contributions en traitement et mise à disposition des données étaient éclatées et peu
structurées, à l’exception des deux noyaux historiques : BASS2000-CDAB et CDPP. Notre priorité
dans le domaine des services d’observation a donc été de structurer ce domaine d’activités sous le
label « Observatoire Virtuel du Grand Sud Ouest » (OV-GSO) en le dotant d’une structure
d’animation et de management (responsables scientifique et technique). Si l’essentiel des ressources
humaines de l’OV-GSO se trouvent à l’IRAP-OMP, cette structure doit son nom au fait qu’elle
s’étend aussi à Bordeaux (base de données KIDA de l’OASU) et à Montpellier (base de données
POLLUX). Un deuxième objectif à travers la création de l’OV-GSO était bien sûr aussi de donner plus
de visibilité à ces activités de service. Notre proposition a été validée par l’INSU lors de la dernière
campagne de labellisation du domaine AA et elle a ainsi obtenu le label de centre d’expertise régional.
1.6 Stratégie Enseignements
Les enseignants chercheurs de l’IRAP (maîtres de conférence, professeurs des universités et
personnels CNAP) sont les principaux contributeurs de l’IRAP à la mission d’enseignement. Ils sont
impliqués dans les conseils des différentes instances de L’UPS : Conseil Scientifique, Conseil des
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
11
Section des unités de recherche
Etudes et de la Vie Universitaire, Conseil de la Faculté de Science et d’Ingénierie (FSI), Conseils des
départements de Physique, de Biologie-Géoscience (BG), d’Electronique, Electrotechnique &
Automatique (EEA), de Mesures Physiques (Institut Universitaire de Technologie), Collèges
Scientifiques, etc. Les enseignants chercheurs de l’IRAP s’impliquent principalement dans les
enseignements de l’UPS aux niveaux L et M. Par ailleurs en raison de l’expertise de nos personnels et
de relations historiques avec les autres établissements à Toulouse et Tarbes, les personnels de l’IRAP
contribuent aux enseignements des écoles d’ingénieur (ISAE, INSA, INP, ENIT) ainsi qu’à la
formation continu (IPST CNAM). Par ces implications nos personnels répondent à un double objectif
stratégique de l’IRAP: 1) assurer que les enseignements de Master à l’UPS et à l’ISAE (partenaire
privilégié de l’IRAP) contiennent les modules nécessaires à la formation de nos futurs candidats
chercheurs et ingénieurs, et 2) éveiller les étudiants à nos activités, et par le contact avec nos
enseignants-chercheurs et les possibilités de stage à l’IRAP, susciter les vocations indispensables pour
nourrir nos disciplines scientifiques.
Les chercheurs et enseignants-chercheurs de l’IRAP participent essentiellement aux
enseignements gérés par les départements de Physique, BG et EEA de la FSI ainsi que dans le
département Mesures Physiques de l’IUT A. Ils interviennent à tous les niveaux des formations de
l’Université (DUT, Licence Pro, Licence & Master) dans les domaines : de la physique, de la
géophysique, de la planétologie, du traitement du signal & des images et de l’instrumentation. Une
licence, 2 licences pro et un DUT sont sous la responsabilité de personnels de l’IRAP :
-
Licence 3 RéoSTE (Réorientation en Sciences de la Terre et Environnement ), ~20
étudiants/an (responsabilité de la formation),
-
Licence professionnelle ITEC (domaine Maintenance des Systèmes Pluritechniques option
Instrumentation et Tests en Environnement Complexe), ~20 étudiants/an (responsabilité de la
formation),
-
Licence professionnelle MQM (domaine Gestion de la production industrielle option
Métrologie et Qualité de la Mesure), ~20 étudiants/an (responsabilité de la formation),
-
Diplôme Universitaire de Technologie Mesures Physiques, ~230 étudiants/an (coresponsabilité de la formation).
Le groupe de planétologie de l’IRAP réfléchit à l’opportunité d’un cours en ligne (Massive
Online Open Course, MOOC) via la plate-forme FUN (France Université Numérique) du MESR, de
niveau L3-M1 et englobant en ~20 h tous les aspects de la physico-chimie du Système Solaire : les
structures internes, les surfaces planétaires, les environnements. Les partenaires de ce MOOC seront
les mentions « astrophysique » et « sciences de la Terre » de l’UPS, l’ISAE et la Cité de l’Espace pour
la logistique de captation.
Pour les masters et écoles doctorales on se réfèrera à la section 3 (implication de l’unité dans la
formation par la recherche).
1.7 Stratégie et bilan des recrutement chercheurs et enseignants chercheurs
Le bilan détaillé des départs et arrivées chercheurs et enseignants chercheurs à l’IRAP figure
dans le document annexé : ANNEXE_A_bilan_departs_arrivees_permanents.pdf
Vis à vis des concours chercheurs du CNRS, notre stratégie est d’attirer à l’IRAP les meilleurs
candidats possibles pour qu’ils se présentent à ces concours. Nos messages aux sections du Comité
National sont un simple rappel de nos grands axes thématiques stratégiques. Notre bilan 2011 – 2014
est de 6 recrutements CR (5 en section 17, 1 en section 18).
Pour les postes CNAP, puisque ceux-ci sont formellement de la responsabilité des OSU, nos
priorités en terme de service d’observation sont discutées annuellement par le Comité Scientifique de
l’OMP qui examine l’ensemble des dossiers de candidature et prend en compte les priorités de l’IRAP.
Notre bilan 2011 – 2013 est de 3 recrutements astronomes adjoints en section « astronomie » sur les
service d’observation suivants : MSL-ChemCam, OV-GSO/DustEM, XMM/ATHENA.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
12
Section des unités de recherche
En ce qui concerne les postes d’enseignant-chercheurs, c’est une opération beaucoup plus
délicate puisqu’il faut suivre un processus complexe (et changeant) au sein de l’Université qui consiste
à faire sélectionner en parallèle dans des instances différentes un profil d’enseignement et un profil de
recherche qui se rejoindront ensuite en un poste d’enseignant-chercheur affectable à l’IRAP. Le
découpage des sections universitaires fait que notre section principale, la section 34, ne dispose que de
peu de volumes horaires spécifiques rattachables à cette seule section. C’est donc le plus souvent grâce
à notre argumentaire « recherche » que nous parvenons à convaincre nos instances de l’ouverture d’un
poste à l’IRAP en section 34. Pour les thématiques de l’IRAP en sections 35 et 61, il existe par nature
des besoins en enseignements plus larges, mais nos équipes sont largement minoritaires à l’UPS dans
ces deux communautés. Notre stratégie dans ces deux sections repose donc sur une forte implication
de nos enseignants chercheurs au sein de leurs communautés respectives pour faire reconnaître des
besoins d’enseignements associés à des thématiques IRAP, et envisager l’ouverture de postes
affectables sur plusieurs laboratoires (dont l’IRAP). Notre bilan est bon puisque nous avons obtenu 3
postes de maîtres de conférences affectés à l’IRAP en section 34 (2011, 2012, 2013) alors que nous ne
rendions qu’un seul poste vacant (un départ à la retraite en 2012). Cette année (postes 2015), compte
tenu du départ en 2013 de deux mcf de l’IRAP en section 35 (un détachement à l’IRD et un
détachement à l’ISAE), et compte tenu de supports vacants en sections 35 rendus par le laboratoire
Géophysique Environnement Toulouse (GET), nous avons soutenu en première priorité l’ouverture
d’un poste de maître de conférence en géophysique (section 35), affectable à l’IRAP ou au GET.
Sur les quatre premières années de l’IRAP cette stratégie nous a permis de recruter 12
chercheurs et enseignants chercheurs, ce qui est largement supérieur au nombre des départs sur la
même période, et a permis à la fois un renforcement des équipes de l’IRAP dans le cœur de leurs
thématiques, ainsi que des ouvertures vers de nouvelles thématiques.
1.8 Profil d’activités
Compte tenu de l’importance numérique des effectifs IT qui ne sont pas rattachés à une
thématique particulière, il n’est pas possible de faire l’analyse demandée ci-dessous au niveau des
groupes thématiques.
Nous avons rempli le tableau en faisant les hypothèses suivantes :
-
-
-
-
Recherche académique : l’ensemble des contributions des personnels scientifique ou
techniques impliqués dans les projets de recherche et dans les services d’observation
labellisés.
Interactions avec l’environnement : les activités de valorisation proprement dite (brevets,
création d’entreprises) étant marginales à l’IRAP, nous avons compté une moyenne de 5%
du temps de travail des chercheurs, enseignants chercheurs et ingénieurs de recherche
comme étant consacré à l’expertise, au transfert et à la diffusion de la culture scientifique et
technique.
Appui à la recherche = les activités des personnels techniques impliqués dans les services
administratifs, logistiques et informatique-serveurs-réseaux.
Activités d’enseignements = 1/6 ETP pour un personnel CNAP, 1/2 ETP pour un maître de
conférence ou un professeur d’université, 1/10 ETP pour l’encadrement d’une thèse
Appui à la recherche
Unité/Équipe
Ensemble
Recherche
académique
Interactions avec
l'environnement
Administration,
Logistique,
Informatique Serveurs
Réseaux
80,5%
2,5%
7,5%
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
Formation par la
recherche
Enseignements
statutaires des E.C.
(UPS, INSA et CNAP) et
encadrements de thèses
Total
9,5%
100 %
13
Section des unités de recherche
1.9 Organisation et vie de l’unité
1.9.1
Evolution des Effectifs
Le détail des départs et arrivées concernant les personnels sur postes permanents à l’IRAP est
l’objet des deux tableaux figurant dans le document annexé :
ANNEXE_A_bilan_departs_arrivees_permanents.pdf
Si le bilan des recrutements chercheurs et enseignants chercheurs est bon et a permis une
revitalisation des thèmes scientifiques de l’unité (12 recrutements sur la période 2011-2014), le bilan
concernant les personnels permanents IT/BIATSS est assez mauvais en raison de six départs à la
retraite d’agents CNRS sans aucun recrutement en 2013. Le tableau ci dessous (Figure 2) illustre les
pertes (ou gain) annuelles exprimées en « équivalents temps plein » intégrés sur l’année N par rapport
à l’année N-1. Ce tableau ne prend toutefois pas en compte les postes s’ouvrant cet automne à
l’IRAP : un technicien en électronique obtenu par mutation interne à l’UPS, un ingénieur d’étude en
électronique obtenu par mutation interne au CNRS (NOEMI), un ingénieur de recherche en
instrumentation ouvert au concours CNRS (création), et un assistant ingénieur en instrumentation
ouvert au concours UPS (agent parti en détachement).
Figure 2 : pertes annuelles (ou gain si > 0) des postes permanents IT et BIATSS à l’IRAP (en ETP).
Les départs d’un agent de logistique et de notre chargée de communication ont pu être absorbés
par un redéploiement interne pour le premier et une utilisation accrue des services de communications
des tutelles pour le second. Par contre la perte de quatre ingénieurs instrumentalistes électroniciens,
dont trois chefs de projets de très haut niveau, a été un choc pour tous les personnels de l’IRAP
soucieux de respecter les engagements qu’ils avaient pris. Il en a résulté un surcroît de travail très
important, une impossibilité de tenir les engagements ne présentant pas une urgence immédiate
(activités de R&D), et finalement un stress et une démoralisation des équipes scientifiques et
techniques. Le non remplacement par le CNRS des compétences techniques cruciales pour le
développement de l’instrumentation scientifique frappe l’IRAP au cœur de sa structure tant le corps
des personnels techniques en appui aux projets des différents groupes thématiques est véritablement
Le ciment de notre Unité. Cette politique est propre à la tutelle CNRS puisque, concernant la tutelle
UPS, l’ensemble des supports de poste libérés ont été récupérés par l’IRAP (réouverture des postes
vacants sur nos demandes prioritaires, par concours pour un départ à la retraite, par la mise en place
d’un CDD puis ouverture au concours deux ans plus tard pour un départ en détachement). De plus, un
poste d’IGR opticien affecté au GIS-OMP sur les projets de l’IRAP a été ouvert au concours en 2014
sans support de poste vacant disponible en interne à la composante OMP.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
14
Section des unités de recherche
L’analyse détaillée de la structure et de l’évolution des ressources humaines techniques de
l’IRAP (IT, BIATSS, CDI et CDD) est montrée dans le document annexé :
ANNEXE_B_RH_Techniques_et_GroupesMetiers.pdf. La proportion des CDD, 27% en moyenne
(et jusqu’à 40% dans les métiers liés au développement des instruments), induit une grande fragilité
des équipes projets qui peuvent perdre sans préavis des compétences pointues alors que le projet est
dans une phase cruciale. Par ailleurs, les CDD contribuant aussi aux phases préparatoires de plus en
plus longues des projets, ils acquièrent de fait des compétences uniques qui ne sont pas pérennisées à
l’IRAP. C’est pour ces raisons que nous avons entamé cette année des négociations avec nos tutelles et
le CNES (notre principal contractant) afin de pouvoir fixer sur CDI quelques compétences clés en
électronique analogique et numérique sur nos ressources propres. Ce dispositif ne pouvant être
qu’extrêmement limité en terme de volume de postes CDI (eg 10% des CDD), nous nous sommes
engagés en parallèle dans une politique active de transfert pour promouvoir nos docteurs et nos
docteurs ingénieurs auprès des entreprises capables de prendre en charge tout ou partie de certaines de
nos réalisations instrumentales. Le dispositif des thèses CNES cofinancées par l’industrie (1 à 2 thèses
de ce type chaque année à l’IRAP), est particulièrement favorable pour amorcer ce type de transfert.
1.9.2
Evolution des moyens financiers
L’IRAP gère chaque année un budget de fonctionnement général d’environ 800 k€, ainsi que
6 million d’euros de ressources propres pour ses projets et services d’observation. Des éléments
chiffrés
sont
rassemblés
dans
le
document
annexé
suivant
:
ANNEXE_D_Ressources_financieres_et_depenses.pdf
En ce qui concerne notre fonctionnement général, nous avons du faire face dès 2012 à un choc
sans précédent créé par la réduction drastique de l’enveloppe de soutien de base du CNRS (passage de
290 k€ en 2011 à 70 k€ en 2012. Il faut noter que l’ensemble des soutiens de base CNRS des équipes
ayant constitué l’IRAP s’élevait en 2010 à environ 400 k€). Avec l’accord de nos tutelles et du conseil
de laboratoire, nous avons mis en place une politique de prélèvement sur tous les contrats de recherche
à un taux de 10% en 2012 (hors salaires et gros contrats), que nous avons pu réduire à 7% en 2013.
Ces prélèvements ont été à l’origine d’un stress très important dans les équipes responsables des
contrats car dans la plupart des cas ils n’avaient pas été anticipés. Notre politique a été d’arbitrer au
cas par cas ces prélèvements afin de ne jamais mettre en danger les objectifs d’un projet. Par exemple
en 2013 le taux de prélèvement effectif moyen aura été de 6,5% et non pas de 7%. Finalement, suite à
la mise en place du nouvel accord cadre CNRS-CNES qui institue un « préciput » au bénéfice du
fonctionnement général des unités de recherche à hauteur de 5,5% des sommes contractées par les
laboratoires, nous nous sommes ajustés à ce niveau de prélèvement pour l’ensemble de nos ressources
propres.
Nos chercheurs et équipes scientifiques bénéficient aussi pour leur fonctionnement des budgets
allouées dans le cadre de l’appel d’offre annuel de l’INSU par la CSAA et les Programmes Nationaux.
De cette façon une trentaine de projets bénéficient chaque année d’un tel soutien de la part des PN
PCMI, PNCG, PNST, PNP, PNPS, et PNHE pour un total d’environ 200 k€.
Par ailleurs le volume des ressource propres gérés à l’IRAP pour les projets scientifiques est
de l’ordre de 6 millions d’euros par an (hors personnels en CDD sur les contrats CNES gérés à
l’INSU): contrats de recherches ANR, CNES, ESA, Europe, industries, etc. La liste de nos contrats de
recherche est annexée dans le document ANNEXE_7_Liste_des_contrats_IRAP2011-2014.pdf. La
plus grande partie de ce volume, (81%) correspond aux contrats CNES pour la construction, les
opérations ou l’analyse scientifique d’instruments spatiaux. Il peut donc y avoir d’importantes
fluctuations sur ce volume financier annuel en fonction des phases de réalisation des différents projets
spatiaux. Par exemple depuis 2011 l’IRAP a géré 337 lignes de crédit CNES pour un volume annuel
de crédits mis en place auprès du service de gestion de la DR14 du CNRS qui a été respectivement de
3 970 k€ en 2011, 5 075 k€ en 2012 et 5 374 k€ en 2013. L’ANR vient ensuite pour environ 10% des
sommes contractées (essentiellement sous forme de personnels et fonctionnement), puis l’Union
Européenne (4%). Les 5% restants sont de natures très diverses : région, organismes, et industries.
La gestion de l’ensemble de nos budgets a le mérite de fonctionner grâce au dévouement et au
sens du service de l’ensemble des agents de nos services de gestion financière et comptable. Mais le
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
15
Section des unités de recherche
dispositif et les outils qui sont mis à notre disposition ne sont pas satisfaisants et ne répondent pas aux
nécessités et aux exigences de notre mission de recherche. On peut mentionner :
-
-
-
-
L’éclatement de la gestion des moyens financiers entre 3 tutelles et/ou services qui
n’utilisent pas les mêmes outils, ni même n’ont prévu les passerelles permettant de faire
communiquer ces outils: CNRS/INSU (Paris), CNRS/DR14 (Toulouse), UPS.
Une réglementation de dépense des deniers publics trop lourde, trop complexe et inadaptée
à la flexibilité et la réactivité nécessaires pour remplir nos missions, et en particulier la
réalisation d’instruments pointus dans le cadre de collaborations internationales (à titre
d’exemple on peut mentionner le problème de l’achat par le CNRS ou l’UPS de composants
ou de prestations auprès de fournisseurs choisis par les agences spatiales).
L’impossibilité (sans doute juridique) pour une unité de recherche de gérer directement la
trésorerie de l’ensemble des ressources propres disponibles pour ses projets. Or il est clair
qu’à partir d’un certain volume d’activités, le mode de gestion actuel qui consiste à
n’autoriser les dépenses projet par projet (ou même ligne à ligne) seulement si les fonds sont
disponibles n’est pas du tout optimal. Il conduit à une accumulation importante de crédits
disponibles. De fait, le directeur d’Unité va naturellement chercher à optimiser l’utilisation
de sa trésorerie sans avoir à sa disposition ni les outils logiciels, ni les outils juridiques
adéquats pour cette optimisation.
Des difficultés pour réaliser les achats à l’étranger.
Ces faiblesses affectent directement notre capacité à réaliser des projets instrumentaux complexes dans
un contexte international très compétitif. Notre analyse est que l’ensemble des outils que nous
utilisons ainsi que les règles que nous suivons sont très contraignants car ils obéissent à une logique de
« contrôle à priori de la dépense ». Un gain très substantiel pourrait être gagné en adoptant plutôt une
logique de « contrôle à postériori » des dépenses, mais sans doute au prix d’une prise de responsabilité
accrue et donc une prise de risque plus importante pour les directeurs d’Unité.
1.9.3
Organisation
L’organisation de l’IRAP est schématisée sur la première page de l’organigramme fonctionnel
présenté dans le document annexé ANNEXE_4_Organigrammes.pdf. La vie de l’unité est structurée
et animée par les groupes thématiques pour ses aspects scientifiques et par la direction technique en
liaison avec les groupes métiers pour ce qui concerne l’ensemble des compétences techniques des
personnels IT, BIATSS et CDD (les bilans des groupes métier de l’IRAP sont rassemblés dans
l’annexe suivante : ANNEXE_B_RH_Techniques_et_GroupesMetiers.pdf
1.9.3.1 Les instances
Le Conseil de Laboratoire de l’IRAP est constitué de façon statutaire et se réunit au moins trois
fois par an. Ses actions sont préparés et/ou déléguées dans ses sept commissions : hygiène et sécurité,
formation permanente, vie du laboratoire, élections, informatique, Web et communication, locaux. En
début d’année, le Conseil de Laboratoire examine, amende et valide le budget prévisionnel de
fonctionnement proposé par la direction, et il vote le bilan de l’année précédente.
Le Comité de Direction, présidé par le directeur (équipe de direction, responsables des groupes
thématiques et conseillers spéciaux aux enseignements et aux services d’observation) est l’organe
opérationnel de pilotage scientifique de l’Unité. Il se réunit tous les quinze jours le lundi matin (en
alternance avec la réunion de l’équipe de direction).
Le Comité des Projets et Services réunit les responsables des groupes métiers, et certains
membres de l’équipe de direction. Il est présidé par le directeur technique et il se réunit selon les
besoins (environ 4 à 5 fois par an) pour traiter avec les responsables de projet des questions relatives
au plan de charge des personnels technique, de la prospective des postes IT/BIATSS et du plan de
formation de l’Unité.
Le Conseil Scientifique et Technique qui comprend cinq membre extérieurs, se réunit au moins
une fois par an en séance plénière, essentiellement pour examiner les propositions d’engagement de
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
16
Section des unités de recherche
nouveaux projet (ou le changement de périmètre notable d’un projet engagé). Il rédige des
recommandations qui sont rendues publiques et qui servent de guide à la direction et à l’ensemble de
l’IRAP pour l’implémentation de sa politique scientifique. De façon annuelle il examine par réunion
téléphonique ou par simple échange de mail les propositions d’actions incitatives (70 à 20 k€ au total
distribués sur le budget de fonctionnement pour aider les projets émergents et/ou transversaux).
1.9.3.2 Les services et projets
Les services communs de l’IRAP sont le service administratif (12 etp), le service logistique (3
etp) et le service informatique (4 etp). Le service administratif et le service informatique ont été au
cœur du chantier de restructuration pour créer l’IRAP car ils ont été l’un et l’autre unifiés et organisés
dès le départ à partir des personnels des laboratoires antérieurs. Le service logistique de l’IRAP quand
à lui n’étant responsable que du bâtiment Roche, il est dans la continuité du service logistique du
CESR (la logistique du bâtiment Belin étant assurée par l’UMS OMP).
Le service administratif de l’IRAP traite un volume d’achats annuel d’environ 800 000 euros
pour le fonctionnement général et d’environ 6 millions d’euros de ressources propres pour les contrats
de recherche. Il assure chaque année la mise en place, le suivi et le renouvellement des contrats pour
40 à 60 CDD, ainsi que pour les doctorants et les stagiaires. La diversité des modes et outils de gestion
(budget en gestion UPS ou CNRS, CDD en gestion CNRS-DR14, CNRS-INSU ou UPS), ainsi que la
lourdeur considérable des procédures d’achat public sont la cause directe d’une inefficacité pénalisante
pour les projets qui ont des exigences calendaires strictes, d’une insatisfaction chronique des
utilisateurs, d’une démotivation des agents (turn-over), et de l’obligation de maintenir si ce n’est d’en
accroître les effectifs par l’embauche de CDD lorsque cela est nécessaire. Malgré le départ de deux
agents gestionnaires par mobilité interne en 2011 puis 2012, les effectifs du service administratif de
l’IRAP ont été maintenus. Ce service lourd a bénéficié en 2012 de l’arrivée sur procédure NOEMI
CNRS d’une directrice administrative et financière qui a pris en main son pilotage et clarifié son
organisation.
Le service informatique s’est structuré dès la création de l’IRAP sous l’impulsion de notre
responsable informatique. Il a été renforcé de 2011 à 2013 par l’embauche d’un agent en CDD pour la
réalisation de l’infrastructure réseau de l’IRAP (tâche lourde qui a imposé la création du nouveau
réseau tout en assurant la maintenance les anciens réseaux jusqu’à l’entrée en service de la nouvelle
infrastructure). Le service informatique fixe ses objectifs en lien avec les priorités établies par la
commission informatique de l’IRAP qui se réunit 3 à 4 fois par an. En 2014, suite à la mobilité du
responsable informatique de l’IRAP au poste de responsable informatique de l’OMP, notre stratégie a
été de faire remonter la responsabilité fonctionnelle de notre service informatique au niveau de
l’UMS-OMP. Arguant de notre contribution effective à une plus grande mutualisation des services
informatiques des laboratoires de l’OMP, nous avons ainsi pu obtenir en NOEMI de compensation
CNRS l’ouverture d’un poste d’électronicien pour nos projets instrumentaux lourdement impactés par
plusieurs départs à la retraite en 2013. Le chantier de réorganisation de l’ensemble des services
informatique-systèmes-réseaux de l’OMP pour un pilotage au niveau de l’UMS est en cours.
Depuis sa création en 2011 l’IRAP a géré 47 contributions à des projets scientifiques : voir les
fiches projets annexées sous forme d’un fichier pdf, ANNEXE_C_FichesProjets.pdf, ou d’une
archive compressée, ANNEXE_C_FichesProjets.zip. Chacun de ces projets possède son organisation
propre, le plus souvent dans le cadre d’une collaboration nationale ou internationale, mais nous avons
veillé à ce que le pilotage de la contribution IRAP soit assurée dans chaque cas par un responsable
scientifique et un responsable technique local. 16 de ces contributions correspondent aux « grands
projets de l’IRAP » et ont impliqué les 2/3 des ressources humaines techniques (cf Figure 1 ci dessus).
Les 31 autres contributions ont impliqué 19% des ressources techniques.
1.9.4
Vie de l’IRAP, animation, communication
La communication de l’IRAP est placée sous la responsabilité du directeur. Celui ci s’appuie sur
la commission « WEB et COM » du Conseil de Laboratoire pour définir sa politique ainsi que les
actions à mener. Jusqu’au début de l’année 2013 nous avons bénéficié d’une assistante de
communication à plein temps. Depuis son départ à la retraite nous avons réduit notablement nos
actions et nous nous appuyons beaucoup plus sur les services de communication de l’UMS-OMP et de
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
17
Section des unités de recherche
l’UPS. Nous avons par ailleurs mis en place une prestation pour l’accueil des collégiens en stage de
3ième (environ 40 chaque année) et pour notre communication internet (actualités site WEB, compte
Tweeter, etc.).
1.9.4.1 Animation scientifique et sociale de l’IRAP, communication interne
En plus des nombreux séminaires scientifiques organisés par les équipes, les groupes
thématiques, les groupes métiers, et l’OV-GSO, l’IRAP organise un séminaire hebdomadaire tous
les jeudis matin. Ce séminaire est pris en charge par une équipe de jeunes chercheurs appartenant aux
différents groupes thématiques. De façon récurrente, et en particulier lors de notre séminaire de
discussions 2014, le problème de la trop faible audience des personnels de l’IRAP à ce séminaire a été
pointé. La nouvelle équipe en charge de l’organisation des séminaires depuis 2013 a lancé une enquête
pour essayer de comprendre les raisons de cette désaffection. Appuyée par la direction elle a la volonté
d’expérimenter de nouvelles modalités pour améliorer l’audience des séminaires IRAP et en faire un
rendez vous habituel pour tous.
Nous avons organisé les premières journées scientifiques de l’IRAP les 18/19 octobre 2010
au Museum d’histoire naturelle de Toulouse. Cela a été la première occasion pour toutes les équipes
de l’IRAP de partager sur leurs projets et sujets de recherches (voir photo de groupe ci dessous).
Les deuxièmes journées scientifiques de l’IRAP ont été organisées les 4/5 octobre 2012 à la
Cité de l’Espace de Toulouse (partenaire de l’IRAP). Lors de ces deuxièmes journées, l’accent a été
plus particulièrement mis sur les actions pluridisciplinaires de l’IRAP, les actions de R&D et les
thématiques émergentes.
L’année 2014 ayant été marquée par le surcroit d’activité lié à la préparation de l’évaluation
quinquennale, nous avons reporté nos prochaines journées scientifiques à l’année 2015.
Depuis le 30 novembre 2012, nous distribuons chaque vendredi par Email notre Newsletter
IRAP dans laquelle figurent différentes informations concernant l’actualité scientifique, les appels
d’offres en cours, les offres d’emploi ouvertes à l’IRAP, et les évènements pouvant intéresser les
personnels de l’IRAP.
Le directeur organise selon les besoins des points d’information en Assemblées Générales (2
à 3 par an).
La commission « Vie du Laboratoire » organise plusieurs évènements festifs tout au long de
l’année qui permettent de rassembler les personnels de l’IRAP pour un moment de convivialité : repas
d’été et repas de Noël, galette d’hiver, Noël des enfants des personnels.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
18
Section des unités de recherche
1.9.4.2 Médiation scientifique et communication externe
L’inauguration de l’IRAP a eu lieu les 14/15 octobre 2011. Organisée de concert avec la fête
de la science sur le thème « les robots débarquent à Paul Sab’ », en collaboration avec la troupe du
spectacle de rue Les plasticiens volants, cela a été un moment fort de la communication de notre toute
jeune Unité vers les responsables locaux, nos collègues du campus de Rangueil et le grand public :
expositions et expérimentations pour tous, café des sciences, observation des étoiles, accueil de classes,
etc.
En plus des nombreuses contributions individuelles de nos personnels et de nos équipes vers le
grand public ou le secteur scolaire, l’IRAP a régulièrement participé à des actions de médiation
scientifique de grande envergure. On peut citer :
-
-
-
« Ciel en fête » : participation aux éditions 2011 (13/15 mai) et 2013 (27/29 septembre) de
cette fête toulousaine de l’astronomie ; en 2011 nous avons apporté une contribution
majeure avec l’exposition PLANCK et son planétarium gonflable géant présentant la
mission ;
Cité de l’Espace (musée des sciences spatiales à Toulouse): jouvence des expositions
permanentes, expertise pour les expositions temporaires (exploration martienne en 2012,
exploration extrêmes en 2014), organisation des évènements liés à l’actualité spatiale de nos
missions scientifiques (arrivée de Curiosity sur Mars en 2012, arrivée de Rosetta près de la
comète en 2014) ;
Fête de la science (événement national annuel) : portes ouvertes de l’IRAP aux collégiens,
lycéens (le vendredi) et au grand public (le samedi); participation à la nuit européenne des
chercheurs;
La Novela (Festival annuel « sciences et culture » de la Mairie de Toulouse) : nombreuses
contributions individuelles aux conférences et aux « colporteurs des savoirs » ;
« Conférences au sommet … du Pic du Midi de Bigorre» : septembre à novembre 2013 ;
Par ailleurs, un collectif d’enseignants chercheurs de l’IRAP organise en lien avec le rectorat
des interventions dans des établissements de l’académie de Toulouse (une cinquantaine d’heures),
des visites du laboratoire, et des projets en ateliers scientifiques et techniques (AST) au lycée dans le
cadre des clubs CNRS (3 ou 4 projets par an typiquement). Ces actions ont régulièrement bénéficié de
l’aide du laboratoire sous forme de dotations qui permettent d’acheter du petit matériel ou de régler les
frais de mission. Depuis 2013, ce collectif a mis en place un parcours pédagogique avec
l’observatoire de Jolimont qui héberge les coupoles et instruments de l’ancien observatoire de
Toulouse. Ce parcours consiste à visiter l’observatoire avec un-e astronome de l’IRAP pour donner un
coup de jeune et un aspect plus actuel à la visite de ce site historique. Notons que cette initiative a été
soutenue par la SF2A sous la forme d’une dotation pour acheter du matériel.
Nous avons à cœur de permettre aux collégiens qui le souhaitent de faire leur stage de 3ième à
l’IRAP (stage d’une semaine), même s’ils n’ont pas de lien personnel avec les équipes de l’IRAP.
C’est la raison pour laquelle nous avons mis en place une prestation en support à ces stages. Cela nous
permet d’accueillir tout au long de l’année année une quarantaine de collégiens.
Vis à vis de la sphère nationale et internationale, notre communication s’appuie fortement sur
l’internet par l’intermédiaire des services de communication de nos tutelles (CNRS, UPS) et agences
(CNES, ESO, CFH) pour mettre en valeur nos résultats scientifique, et avec notre site WEB sur lequel
nous mettons en avant tous nos résultats majeurs au fur et à mesure de l’actualité.
En janvier 2013 nous avons présenté l’IRAP sous forme d’un « stand-exposition » au colloque
semestriel de l’AAS qui rassemble pratiquement l’intégralité de la communauté américaine en
astronomie et astrophysique. Les éléments de cette exposition ont été repris pour un stand présentant
l’UPS, l’IRAP et l’exploration martienne lors du « India-France Technology Summit » à New-Dehli
fin 2013.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
19
Section des unités de recherche
Finalement, afin de promouvoir l’image de l’IRAP dans nos communautés scientifiques nous
encourageons nos équipe à organiser des colloques internationaux ou nationaux de grande envergure
dans le sud-ouest de la France :
-
IAU Symposium 302 « Magnetic Fields Throughout Stellar Evolution », 26-30 Août 2013 à
Biarritz ;
« The Space Photometry Revolution » CoRoT Symposium 3, Kepler KASC-7 joint meeting,
6-11 Juillet 2014 à Toulouse ;
Colloque annuel de la Société Française d’Astronomie et d’Astrophysique (SF2A) prévu en
Juin 2015 à Toulouse.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
20
Section des unités de recherche
1.10 Faits marquants
Sur la période 2009 – 2014, la création de l’IRAP aura été en soit un fait marquant pour tous
ses personnels. Dès le choix du directeur fait par l’ensemble des personnels en mars 2010, l’équipe de
direction de l’IRAP a travaillé avec les directeurs en place et l’ensemble des équipes pour installer la
nouvelle organisation, les responsables des groupes thématiques, préparer la demande de moyens 2011,
et organiser les premières journées scientifiques de l’IRAP qui ont eu lieu à l’automne 2010.
Finalement, l’IRAP a été inauguré en grandes pompes avec les responsables des tutelles, des
collectivités territoriales et le grand public en octobre 2011, de façon concomitante avec une opération
« portes ouvertes » dans le cadre de la « Fête de la science ».
L’exploration de la surface de la planète Mars avec l’instrument CHEMCAM placé au
sommet du mât du rover CURIOSITY de la NASA a sans nul doute été (et reste encore) l’aventure
scientifique de l’IRAP qui a eu le plus d’échos dans notre discipline et auprès du grand public. Ce
projet est en lui même précurseur de l’IRAP puisqu’il a été mené par une équipe rassemblant depuis le
début des années 2000 des personnels issus de nos trois laboratoires fondateurs et de l’UMS OMP.
Parti de la Terre en novembre 2011, CURIOSITY a été déposé sur Mars en Août 2012, et il effectue
depuis maintenant plus d’une année martienne complète une exploration minutieuse des roches
sédimentaires sur un territoire où l’eau a coulé en abondance il y a plus de trois milliard d’années.
CHEMCAM, qui est un instrument d’analyse des roches par spectroscopie de type « LIBS » à distance,
fonctionne parfaitement, et est opéré une semaine sur deux depuis le Centre Spatial de Toulouse
(CST). Les résultats font déjà l’objet de nombreuses publications, dont l’une dans la revue Science en
primo-signature IRAP. L’ensemble de ces résultats, associé à ceux des autres instruments du rover,
démontre que la planète Mars aurait connu au cours de son premier milliard d’années des conditions
physico-chimiques favorables à l’apparition de la vie.
Concernant l’étude du globe terrestre, les géophysiciens de l’IRAP sont à l’origine d’une
découverte surprenante qui fera date : il s’agit du mouvement de translation de la graine de fer au
cœur de la Terre. Ce résultat spectaculaire doit beaucoup à un travail collaboratif étroit entre
modélisation géodynamique, observations sismologiques et modélisation de la propagation des ondes
sismiques traversant le globe terrestre. Par ailleurs, nos activités de déploiement et de maintenance des
stations sismologiques auront été marquées d’une part par la consolidation du dispositif national, notre
intégration dans l’Infrastructure de Recherche (IR) RESIF et la mise en place du Réseau de
surveillance sismique transfrontalier SISPYR, et d’autre part par les déploiements de nombreuses
stations sismiques temporaires (profils denses et réseau 2D) dans le cadre de l’ANR PYROPE.
L’acquisition de ces nouvelles données a permis de proposer un nouveau modèle tomographique de la
lithosphère pyrénéenne.
En ce qui concerne l’exploration de l’environnement spatial ionisé de la Terre et son interaction
avec le vent solaire, des progrès considérables ont été obtenus sur les flux de particules entre la haute
atmosphère et la magnétosphère externe. Aux niveaux les plus bas (haut de l’ionosphère) ce sont les
mesures du satellite français DEMETER qui ont permis de mettre en évidence plusieurs processus
d’accélération des particules, dont un processus de résonnance avec les ondes à ultra basse fréquence
générées lors des orages magnétiques. Plus haut, dans la magnétosphère, les quatre satellites de la
mission CLUSTER ont continué leur moisson, et l’on retiendra la découverte d’un vent plasmasphérique dirigé vers la magnétosphère externe et qui pourrait jouer un rôle dans l’échappement des
atmosphères planétaires.
Dans un autre domaine, celui de l’astronomie spatiale infrarouge et submillimétrique, la période
2009 – 2014 aura été marquée par la moisson des résultats des missions PLANCK et HERSCHEL
de l’ESA qui ont ouvert des territoires complètement nouveaux dans l’étude de l’univers froid ou
lointain, du Big-Bang et les manifestations observables de la théorie de l’inflation, jusqu’à la
complexité moléculaire qui prélude à la formation des systèmes planétaires. Nos équipes ont
largement contribué à ce succès scientifique, que ce soit sur le plan instrumental par des dispositifs
électroniques placés au cœur des chaines de mesures (instruments PLANCK-HFI et HERSCHELHIFI), que sur le plan scientifique en prenant le leadership de plusieurs publications majeures
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
21
Section des unités de recherche
concernant la structure des amas de galaxie, les champs magnétiques, gaz et poussières dans notre
Galaxie, et la construction de la complexité moléculaire dans les environnements de formation stellaire.
Cette complexité moléculaire étudiée aussi in-situ à l’IRAP dans les différents dispositifs de la
plateforme « nanograins » s’est aussi illustrée par l’identification de l’ion C60+ dans le milieu
interstellaire. Le potentiel de nos équipes dans ce domaine a été tout récemment reconnu par le
financement du programme ERC de type « SYNERGY » NANOCOSMOS mené en collaboration
avec une équipe du CSIC à Madrid.
Dans le domaine de la physique stellaire, la période a été marquée par l’exploitation intensive
des données d’astéro-sismologie de CoRoT et Kepler ainsi que par le développement de modèles
stellaires de nouvelle génération. Ces études ont parfois été accompagnées de découvertes
spectaculaires complètement inattendues, comme celle de deux planètes plus petites que la Terre
orbitant autour de l’étoile naine KIC 05807616, et ayant donc survécu à sa phase de géante rouge. Par
ailleurs, l’exploitation des spectro-polarimètres construits à l’IRAP, NARVAL au TBL et ESPaDOnS
au CFHT, aura renforcé notre leadership dans le domaine du magnétisme stellaire avec la encore des
résultats surprenants comme celui de la découverte du champ magnétique à la surface de l’étoile
supergéante Bételgeuse, et plus récemment à la surface de la géante X-Cygni, une géante pulsante de
type « Mira ».
Finalement, dans le domaine de l’étude de l’univers lointain et des phénomènes cosmiques de
haute énergie, de nombreuses premières ont été obtenues. L’une des plus spectaculaires est sans doute
la « pesée » grâce à ses émissions radio sporadiques du candidat trou noir HLX-1 associé à la galaxie
ESO 243-49. Sa masse, de 10 000 à 100 000 fois celle du soleil, en fait le jalon manquant entre les
trous noirs de masse stellaire et les trous noirs galactiques super-massifs, jalon qui permettra peut être
de progresser dans la compréhension des processus de formation de ces derniers. Un autre résultat
marquant, fruit de la collaboration MASSIV qui exploite le spectrographe-imageur SINFONI au
foyer de l’un des VLT, concerne l’évolution prédite par les modèles, et enfin observée, du processus
de croissance des galaxies lointaines. Par ailleurs, toujours placées en première ligne pour exploiter les
observatoires spatiaux d’astronomie X et gamma, nos équipes sont à l’origine de deux catalogues qui
feront date, 3XMM et 2FGL (FERMI), et encore tout récemment, elles se sont illustrées par la
détection avec l’observatoire INTEGRAL de la raie nucléaire de décroissance du cobalt 56 dans la
supernova de type Ia SN2014J où cet élément atomique précurseur du fer a été produit.
En ce qui concerne l’instrumentation spatiale, le chantier le plus marquant de l’IRAP ces
dernières années aura été celui du développement et de la construction des instruments d’analyse insitu devant équiper différentes missions d’exploration du système solaire et de l’environnement
terrestre qui auront impliqué 1/6 des ressources humaines techniques de l’IRAP: SWEA pour la
mission MAVEN de la NASA (lancé en novembre 2013), MEA et SERENA pour l’orbiteur
mercurien de la mission internationale BEPI-COLOMBO (livraison à la JAXA en 2014, lancement
vers la planète Mercure en aout 2015), IDEE et XGRE pour le satellite français TARANIS (lancement
en 2016), SWA pour la mission européenne Solar Orbiter (lancement en 2017/2018). Les senseurs
développés s’inscrivent dans l’une des filières technologiques les plus abouties à l’IRAP. Conçus pour
fonctionner dans des conditions d’environnement spatial particulièrement agressives, ils bénéficient
des d’équipes techniques totalement engagées pour la réussite de leurs objectifs, et dont certains
membres aux compétences uniques savent se partager entre plusieurs projets.
Un deuxième chantier lourd concerne les expériences dites suborbitales, c’est à dire embarquées
sous ballon stratosphérique : PILOT et EUSO-BALLON. L’une et l’autre embarquent des dispositifs
pointus et des systèmes complexes. Leur intégration, à l’IRAP ou au CST-CNES, a été réalisée sous la
responsabilité de nos équipes, avec le bénéfice d’un très fort soutien de la division ballon du CNES.
EUSO-BALLON vient de réaliser son premier vol les 24/25 août dernier. Lancé depuis la base de
Timmins au Canada il a parfaitement réussi un vol stratosphérique d’une durée de 5 heures qui
devraient permettre aux équipes de valider le concept de l’observation des gerbes cosmiques de très
haute énergie depuis l’espace. L’expérience PILOT finalise ses essais et tests dans le grand hall blanc
de l’IRAP pour un premier vol courant 2015 au Canada.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
22
Section des unités de recherche
En ce qui concerne l’instrumentation sol, les activités dans ce domaine ont été marquées par
notre contribution à la construction et l’intégration du spectromètre multi-objet MUSE qui a été livré à
l’ESO et installé sur l’un des VLT fin 2013. La première lumière en février 2014 a été un plein succès,
et l’exploitation de cet instrument qui sera principalement tourné vers l’étude de la genèse et de
l’évolution des galaxies s’annonce riche de promesses. MUSE a aussi bénéficié des compétences de
l’IRAP en traitement du signal et de l’image pour la mise au point des algorithmes de recherche et de
séparation des sources astrophysiques dans les cubes de données hyper-spectrales qu’il délivrera
(ANR DALHIA).
Concernant nos moyens lourds, nous avons bénéficié en 2013 de la livraison d’un tout nouveau
bâtiment technique (P2IS : Plateforme d’Ingénierie et d’Instrumentation Spatiale) réalisé avec la
subvention du dernier Contrat de Plan Etat Région (CPER) et qui consiste principalement en quatre
salles propres et leurs locaux techniques attenants équipés au meilleur niveau selon les standards
exigés par les agences spatiales et les observatoires.
Finalement, malgré les engagements sur les projets en cours, nos équipes d’instrumentalistes ont
réussi à maintenir un très bon niveau de R&D pour préparer les projets futurs : plans de détection et
systèmes électroniques pour les projets PHENIX et SPICA-SAFARI, électroniques intégrées pour la
spectrométrie des particules ou des photons durs (CASA et LOFT), et une « preuve de concept » de
l’optique de FRESNEL comme grand collecteur spatial de photons à haut contraste (cette dernière a
été testée sur le ciel avec succès en utilisant la grande lunette de l’Observatoire de la Cote d’Azur).
Nous avons par ailleurs mené un travail de fond pour préparer et défendre nos grands projets à
venir, et les porter jusqu’à l’engagement des agences malgré les aléas financiers ou politiques qu’elles
subissaient. Grâce à ce travail acharné, le leadership de l’IRAP s’est affirmé et c’est avec une
motivation renouvelée que nous attaquons les chantiers qui s’engagent enfin pour les instruments ou
missions SPIRou pour le CFHT, ECLAIRs pour SVOM, SuperCam sur MARS 2020, ATHENA
et CTA.
Finalement, d’un point de vue purement numérique, l’ensemble des publications produites par
nos équipes au cours de la période évaluée (2009 – 2014) se monte un peu plus de 2000 articles de
rang A, dont respectivement 13 et 39 dans les revues Nature et Science. Les publications de rang A
référencées au nom de l’IRAP ont atteint dès 2012 un rythme d’environ 300 articles par an, et pour
son quatrième anniversaire le jeune IRAP pourra afficher un cumul d’environ 10 000 citations et un
indice H proche de 50.
NB : l’ensemble des actualités scientifiques et faits marquants de l’IRAP qui ont fait l’objet de courtes
publications sur la page d’accueil de l’IRAP peuvent être consultés sous le lien suivant :
http://www.irap.omp.eu/actualites
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
23
Section des unités de recherche
2 Réalisations
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
24
Fiche synthétique IRAP - PSE
Présentation synthétique du Groupe
« Physique du Soleil et des Étoiles »
PSE
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
___________________________________________________________________________________________
Intitulé de l’entité : Groupe thématique Physique du Soleil et des Étoiles
Nom du responsable de l’équipe pour le contrat en cours : F. Lignières / S. Charpinet
Nom du responsable de l’équipe pour le contrat à venir : P. Petit / J. Ballot
___________________________________________________________________________________________
Effectifs de l’entité (en janvier 2011 au moment de la création de l’IRAP).
10 Enseignant-chercheurs (ou CNAP), 11 Chercheurs, 3 Post-docs, 7 Doctorants
Personnels ayant quitté l’entité pendant le contrat en cours (et nombre de mois cumulés passés dans l’entité au
cours de cette période).
1 Chercheur et 1 Enseignant chercheur (64 mois) ; 4 Post-docs (62 mois) ; 7 Doctorants (160 mois) ;.
Nombre de recrutements réalisés au cours de la période (2011 – 2014) et origine des personnels
1 Enseignant-chercheurs sur concours mcf UPS sect. 34 (postdoc Univ. de Yale/États-Unis) ; 1 Chercheur sur concours
CR1 sect. 17 (postdoc Cambrigde/Royaume-Uni) ; 1 DR sect. 17 en mutation (auparavant à l’UPS 853 THEMIS); 2 Postdocs, 10 Doctorants, 1 CDD IR Calcul Scientifique (docteur de l’Univ. de Bordeaux).
___________________________________________________________________________________________
Réalisations et produits de la recherche au cours de la période écoulée (1er janvier 2009 – 30 juin 2014) :
1) L’exploration du diagramme HR par les spectro-polarimètres NARVAL (TBL) et ESPaDOnS (CFHT) a renforcé le
leadership mondial de l’équipe PSE dans le domaine du magnétisme stellaire (e.g. Aurière et al. 2010).
2) Plusieurs recherches amonts en dynamique des fluides astrophysiques ont abouti à des prédictions quantitatives,
confrontables aux observations, comme pour le spectre d’oscillation (e.g. Pasek et al. 2012) ou l’assombrissement
gravitationnel (Espinoza Lara & Rieutord 2011) des étoiles en rotation rapide.
3) L’analyse et l’interprétation des données des satellites CoRoT (CNES) et Kepler (NASA) a permis d’obtenir des
contraintes inédites sur les paramètres fondamentaux (Ballot et al. 2011) et la rotation interne (Deheuvels et al 2014)
des étoiles.
4) La découverte de deux planètes de dimensions terrestres en orbites proches autour de l'étoile sdB Kepler 70
(Charpinet et al 2011, Nature) a montré que des planètes peuvent survivre à une immersion dans l'enveloppe d'une
étoile géante rouge.
5) Début de la construction en juin 2014 du spectro-polarimètre/vélocimètre de haute précision SPIRou, fonctionnant
dans l’infrarouge proche (0.98 - 2.35 µm) destiné au Télescope Canada-France-Hawaii (CFHT). Il permettra
de détecter/caractériser les planètes telluriques habitables autour d’étoiles de très faible masse et d’étudier l’impact
du champ magnétique sur la formation des étoiles.
Fiche synthétique IRAP - PSE
__________________________________________________________________________________________
Bilan quantitatif des publications : 393 articles de revue à comité de lecture (jusqu’au 30 juin 2014) dont 3
Nature, 1 Physical Review Letter, 1 Annual Review of Astronomy & Astrophysics, 1 Living Reviews of Solar
Physics, 25 Lettres dans ApJ, A&A et MNRAS, le premier auteur de ces articles à forte visibilité étant dans la
plupart des cas un membre de PSE; 10 thèses, 2 HDRs, 6 livres et 6 chapîtres de livre
___________________________________________________________________________________________
5 publications majeures.
!
Aurière, M., Donati, J. F., Konstantinova-Antova, R., Perrin, G., Petit, P. and Roudier, T. (2010). The Magnetic
Field Of Betelgeuse: A Local Dynamo From Giant Convection Cells? Astronomy & Astrophysics, 516: 4
!
Pasek, M., Georgeot, B., Lignières, F. and Reese, D. R. (2011). Regular Modes In Rotating Stars. Physical Review
Letters, 107(12): 5
!
Espinosa Lara, F. and Rieutord, M. (2011). Gravity Darkening In Rotating Stars. Astronomy & Astrophysics, 533: 5
!
Deheuvels, S. et al. (2014). Seismic constraints on the radial dependence of the internal rotation profiles of six
Kepler subgiants and young red giants⋆. Astronomy & Astrophysics, 564: A27
!
Charpinet, S., et al. (2011). A Compact System Of Small Planets Around A Former Red-Giant Star. Nature,
480(7378): 496-499
___________________________________________________________________________________________
4 autres documents majeurs.
!
Polarbase : documentation et accès à la base de données spectropolarimétriques http://polarbase.irap.omp.eu/
!
ESTER : documentation et release du code libre d’evolution stellaire https://code.google.com/p/ester-project/
!
Science case du projet SPIRou au CFHT http://spirou.irap.omp.eu/
!
Science cases des projets NeoNarval et SPIP au TBL http://www.tbl.omp.eu/INSTRUMENTATION2
___________________________________________________________________________________________
5 faits illustrant le rayonnement ou l’attractivité académiques.
!
Organisation de deux grandes conférences internationales (Symposium Corot/Kepler à Toulouse et colloque IAU
Magnétisme stellaire à Biarritz) et d’une session « Plasmas astrophysiques » de l’Ecole de Physique des Houches.
!
PI de 6 « Large Programme » internationaux avec ESPaDOns (CFHT) et NARVAL (TBL) pour 3362 heures allouées.
!
PI de 3 projets ANR blanc (MaPP, ESTER et IMAGINE) et co-PI de 2 projets ANR blanc (SIROCO et TOUPIES).
!
!
L’équipe a attiré 5 nouveaux chercheurs qui n’avaient pas fait leur thèse à Toulouse. Dans le même temps, 2
anciens doctorants de l’équipe ont obtenu un poste permanent dans d’autres laboratoires.
PI du projet international SPIRou.
___________________________________________________________________________________________
4 faits illustrant les interactions de l’entité avec son environnement socio-économique ou culturel.
!
Responsabilité de l’organisation de l’Année Mondiale de l’astronomie 2009 pour le Grand Sud-Ouest
!
Exposition « Nature magnétique : des atomes aux étoiles »
!
Participation aux associations « Science Animation Midi-Pyrénées » et « Les Petits Débrouillard »
!
Publications de livres « grand public » et participation à des émissions dans les medias
___________________________________________________________________________________________
les principales contributions de l’entité à des actions de formation.
!
Responsabilté de la mention « Physique et Astrophysique » des Masters de l’Université Toulouse III
!
Responsabilité de l’enseignement de la Physique Stellaire au M1 et M2 Recherche, et cours de tronc commun au
M2 Recherche (« dynamique des fluides », « transfert de rayonnement » et « simulations numériques »)
!
Responsabilté du suivi des stages au M2 Recherche et des Projets d’Initation à la Recherche au M1
!
Visualisation 3D des oscillations stellaires avec GLPULSE3D http://userpages.irap.omp.eu/~scharpinet/glpulse3d/
Section des unités de recherche
2.1 Groupe PSE : Physique du Soleil et des Etoiles,
Liste des Contributeurs au bilan du groupe PSE
Chercheurs et enseignant-chercheurs : F. Lignières (DR 17, responsable) - S. Charpinet (CR 17, adjoint) M. Aurière (A) - J. Ballot° (CR 17) - C. Baruteau° (CR 17) - T. Böhm (CR 17) - S. Deheuvels° (MCF 34) - B.
Dintrans (CR 17) - N. Dolez* (CR 17) - J.F. Donati (DR 17) - P. Fouqué# (A) - A. Hui Bon Hoa (MCF 34) - L.
Jouve° (MCF 34) - A. Lopez-Ariste° (DR 17) - P. Mathias (AA) - R. Muller (A) - F. Paletou (A) - P. Petit (AA) M. Rieutord (PR 34) - F. Rincon (CR 17) - Th. Roudier (DR 17) - G. Vauclair e (DR 17) - S. Vauclair e (PR 34) ;
Chercheurs associés : C. Charbonnel§ (DR 17)
ITAs : E. Bourrec (IE), P. Couderc (IE), M. Dupieux (IR), C. Gaïti (T), G. Gallou* (IE), Th. Gharsa# (AI), M.
Larrieu (IR), L. Leal (T), Y. Micheau (CDD), I. Moro (CDD), L. Parès (IR), B. Putigny (CDD), H. Valentin (IE)
Post-Doctorants : J. Ballot (2008-2010) - F. Espinoza-Lara (2010-2013) - V. Van Grootel (2008-2010) - C.
Folsom (2013-2014) - Rodríguez-López, C. (2008-2010) - M. Skelly (2009-2012) - J. Soares da Costa (20142015) - S. Theado (2010-2012)
Doctorants : E. Bachelet (2010-2013) - A. Blazère (2013-2016) - M. Deal (2013-2016) - M. E. Escobar (20092013) - R. Farès (2007-2010) - S. Felix (2011-2014) - A. Fumel (2007-2011) - T. Gastine (2006-2009) - M.
Gaurat (2013-2016) - E. Hébrard (2012-2015) - D. Hypolite (2012-2015) - G. Mirouh (2013-2016) - J. Morin
(2006-2009) - A. Morgenthaler (2008-2011) - S. Nicolas (2009-2012) - M. Pasek (2009-2012) - M. Pertenaïs
(2013-2016) - V. Prat (2010-2013) - A. Riols (2011-2014) - M. Soriano (2006-2009) - W. Zong (2013-2016).
° arrivée au cours de la période de référence ; * départ au cours de la période de référence ; e émérite ; § chercheur
associé ; # en détachement ; † rattachement secondaire.
2.1.1
Introduction et faits marquants
L’équipe PSE est issue de la réunion des équipes « physique stellaire », « magnétisme solaire et
stellaire », et « dynamique des fluides astrophysiques » du LATT, qui ont fusionné avec la création de
l’IRAP. L’effectif de l’équipe PSE au cours de la période a été en moyenne d’une trentaine de
personnes comprenant une vingtaine de chercheurs permanents et une dizaine de doctorants et postdoctorants. Il y a actuellement 21 chercheurs permanents (11 CNRS, 5 CNAP, 5 EC) auxquels
s’ajoutent 1 CNAP en détachement au CFHT (P. Fouqué) et 1 DR chercheur associé de l’Observatoire
de Genève (C. Charbonnel), 10 doctorants dont 4 en co-encadrement avec un autre laboratoire et 2
post-doctorants.
Les recherches menées dans l’équipe visent principalement à faire progresser notre
compréhension des étoiles notamment en tenant compte des effets induits par leur rotation et leur
champ magnétique. Une part croissante de nos recherches est également consacrée aux exoplanètes.
Nos méthodes de diagnostic privilégiées sont la spectro-polarimétrie et l’astérosismologie et notre
principal outil de modélisation, la simulation numérique intensive, particulièrement pour étudier les
processus de dynamique des fluides astrophysiques. Une autre caractéristique de l’équipe est
l’équilibre entre ses activités liées à l’instrumentation, l’observation, l’analyse des données d’une part,
et à la modélisation d’autre part.
Le bilan scientifique de l’équipe PSE dans la période évaluée peut être caractérisé par quatre
éléments majeurs que nous illustrons par quelques publications : tout d’abord la foison de résultats
issus de l’exploration du diagramme HR par les spectro-polarimètres NARVAL (TBL) et ESPaDOnS
(CFHT) a renforcé le leadership mondial de l’équipe PSE dans le domaine du magnétisme stellaire.
Ces résultats concernent les processus de magnéto-accrétion (Donati el al. 2011a) et de dynamo (Petit
et al. 2009, Morin et al. 2010) mais aussi les découvertes aussi inattendues que spectaculaires des
champs magnétiques de la supergéante Bételgeuse en rotation très lente (Aurière et al. 2010a, voir la
Figure 3) ou de l’étoile à enveloppe radiative Véga (Lignières et al. 2009). Au delà de sa capacité,
déjà reconnue, à conduire des recherches amonts en dynamique des fluides et transfert radiatif bien
illustrée par les travaux réalisés sur l’excitation de la dynamo magnéto-rotationnelle dans les disques
d’accrétion (Riols et al 2013), l’équipe PSE a réussi pendant la période à mener plusieurs de ces
recherches amonts jusqu’à des prédictions précises, confrontables aux observations. C’est le cas des
spectres d’oscillation (Pasek et al. 2012) et de l’assombrissement gravitationnel (Espinoza Lara &
Rieutord 2011) des étoiles en rotation rapide. L’équipe PSE a également considérablement renforcé sa
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
27
Section des unités de recherche
Figure 3 : Profils de raie moyen de l’étoile
Bételgeuse en polarisation circulaire (profil du
haut) et en intensité (profil du bas). La
polarisation circulaire des raies par effet
Zeeman est directement reliée au champ
magnétique photosphérique. Cette observation
démontre que, malgré les modèles théoriques
généralement proposés pour expliquer le
magnétisme d'objets astrophysiques comme la
Terre ou le Soleil, un champ magnétique peut
être engendré dans une étoile en rotation très
lente (Aurière et al. 2010a).
visibilité dans le domaine de l’astérosismologie par sa forte contribution à l’analyse et à
l’interprétation des données des satellites CoRoT (CNES) et Kepler (NASA). Ces données apportent
aujourd’hui des contraintes inédites sur les paramètres fondamentaux (Ballot et al. 2011) et la
rotation interne (Deheuvels et al 2014) des étoiles. Enfin, la thématique « exoplanètes » s’est
développée par l’obtention de quelques résultats marquants notamment sur les phases
avancées des systèmes planétaires (Charpinet al. 2011, Nature, voir la Figure 4) et par le
démarrage du projet SPIRou à l’IRAP. En terme quantitatif, de 2009 à février 2014, l’équipe PSE
a publié 393 articles référés, dont 3 Nature, 1 Physical Review Letter, 1 Annual Review of
Astronomy & Astrophysics, 1 Living Reviews of Solar Physics, 25 Lettres dans ApJ, A&A et
MNRAS, le premier auteur de ces articles à forte visibilité étant dans la plupart des cas un membre
de PSE.
Nos activités s’articulent autour de trois thématiques principales, « l’astérosismologie et les
modèles stellaires nouvelle génération » (section 2.1.2), « le magnétisme solaire et stellaire » (section
2.1.3), « les processus fondamentaux en dynamique des fluides astrophysiques et transfert radiatif »
(section 2.1.4), et d’une thématique émergente, « les exoplanètes » (section 2.1.5). Les moyens
d’observation et de modélisation développés dans l’équipe seront décrits dans les parties projets
instrumentaux (section 2.1.6) et projets numériques (section 2.1.7).
Figure 4 : La découverte de deux planètes de dimensions terrestres en orbites proches autour de
l'étoile sdB Kepler 70 a montré que des planètes peuvent survivre à une immersion dans
l'enveloppe d'une étoile géante rouge (Charpinet al., 2011, Nature).
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
28
Section des unités de recherche
2.1.2
Astérosismologie et modèles stellaires de nouvelle génération
L'équipe PSE possède un solide ancrage en modélisation stellaire (structure, dynamique et évolution)
et dans l'étude des oscillations stellaires dont le potentiel pour sonder en profondeur les propriétés des
étoiles par "astérosismologie" n'est plus à démontrer.
Les modèles de structure interne sont un pilier fondamental de la discipline et l'équipe
dispose de codes de structure et d'évolution permettant de couvrir l'ensemble du diagramme HR.
Plus spécifiquement, le groupe s'investit fortement dans le développement de modèles de nouvelle
génération. Sur la période évaluée, la progression importante du code public ESTER (Evolution
Stellaire en Rotation Rapide; ANR 2010-2014), capable de calculer en 2D la structure d'une étoile
de type précoce sur la séquence principale en cohérence avec l'hydrodynamique de la
zone radiative (Espinosa Lara & Rieutord 2013), a permis de s'approprier le leadership mondial de
la modélisation à deux dimensions des étoiles en rotation. Il est notamment capable de prédire la
brillance de surface d'étoiles en rotation rapide et de la comparer aux données interférométriques
existantes (Espinosa Lara & Rieutord 2011). Le code 1D TGEC (Toulouse Geneva Evolutionary
Code) est spécialisé dans l'exploration des processus de mélange non standards, en particulier la
diffusion des éléments chimiques dans les étoiles de séquence principale, en incluant les
accélérations radiatives sur chaque élément (Théado et al. 2012) et l’effet des instabilités
doubles-diffusives induites par les accumulations locales d’éléments (Vauclair & Théado 2012). Une
méthode a également été développée pour coupler des atmosphères détaillées (codes ATLAS9 et
Phoenix) à la structure interne (code TGEC) car le traitement de l'atmosphère a un impact
significatif sur la sismologie des étoiles de type solaire (Hui Bon Hoa 2013).
Parallèlement, l'équipe démontre une forte activité autour de l'astérosismologie couvrant tous
les stades de l'évolution stellaire, depuis les étoiles de pré-séquence principale jusqu'aux naines
blanches. Cette diversité concentrée dans une seule équipe est assez unique dans le monde. Nous
sommes en outre présents à tous les niveaux d'analyse, depuis les observations jusqu'au diagnostic
sismique en passant par l'analyse de données et la modélisation des oscillations stellaires.
En terme d'acquisition d'observations sismiques, l'équipe s'est mobilisée pour obtenir des
données des grands projets spatiaux CoRoT (Charpinet et al 2010, Ballot et al 2011, Chapellier &
Mathias 2013) et Kepler (Ostensen et al 2010) ainsi que dans l'organisation de campagnes au sol
dédiées, en spectroscopie avec NARVAL (TBL), HARPS (ESO) et SOPHIE (OHP) pour l’étude
sismique d’étoiles de type solaire (Soriano et al 2010) et la recherche de pulsation sur Véga (Böhm et
al 2012), ou encore pour le suivi photométrique des oscillations dans les étoiles compactes évoluées
(étoiles naines blanches et sdB; e.g., Fu et al 2013).
Les données sismiques de haute qualité ainsi acquises sont exploitées avec les outils de
modélisation et de diagnostic développés pour beaucoup dans le groupe (e.g. Van Grootel et al 2013).
En particulier, le code 2D TOP a été développé pour tenir compte des effets de la rotation rapide des
étoiles massives et de masse intermédiaire sur leurs modes d’oscillation et, après plusieurs d’années de
développement, permet de faire des prédictions sur les espacements réguliers de fréquences,
observables dans le spectre de ces étoiles (Ballot et al. 2013, Reese et al. 2013).
Sur le plan de la sismologie stellaire "appliquée", de nombreux résultats viennent démontrer
l'étendue du savoir faire de l'équipe dans ce domaine:
L'identification de modes non radiaux dans plusieurs étoiles Ae de Herbig ont ainsi conduit à
questionner l'origine du mécanisme d'excitation des oscillations dans ces étoiles (Fumel & Böhm
2012). Par l'étude de la dynamique atmosphérique des étoiles pulsantes nous cherchons également à
généraliser la relation de Baade-Wesselink développée pour les Céphéides à diverses pulsateurs
radiaux (de type Delta Scuti et Beta Cephéi; Nardetto et al 2013). La profondeur de l'enveloppe
convective d'une vingtaine d'étoiles de type solaire observées par Kepler a également été mesurée
(Mazumdar et al. 2014), apportant ainsi des contraintes directes aux modèles stellaires. L'étude des
sous-géantes et géantes rouges nous a dévoilé pour la première fois leur profil de rotation interne à une
étape clé de l'évolution du moment angulaire des étoiles (Deheuvels et al 2014) et a permis d'évaluer la
taille de l'extension du coeur convectif des sous-géantes (Deheuvels & Michel 2011). Les données
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
29
Section des unités de recherche
Kepler nous ont en outre permis d'étudier la convection de surface (granulation) aussi bien des géantes
(Mathur et al 2011) que des étoiles de séquences principales (Karoff et al 2013). Dans les phases
avancées de l'évolution, l'analyse des oscillations nous a apporté, entre autres contraintes, les
premières mesures de la taille du noyau de combustion de l'hélium dans les étoiles sdB sur la branche
horizontale extrême (Van Grootel et al 2010). La sismologie des naines blanches a permis de mettre en
évidence des phénomènes de couplage résonant induits par la rotation entre modes de pulsation
(Vauclair et al 2011). La rotation interne d'étoiles pré-naine blanche a également été contrainte par
l'analyse des oscillations, montrant que ces étoiles sont en rotation lente et rigide, et que leur infime
moment angulaire résiduel implique l'existence d'un fort mécanisme de freinage dans les phases
évolutives antérieures (Charpinet et al 2009, Nature).
L'ensemble (non exhaustif) de ces résultats en astérosismologie apporte un cadre et des
contraintes précieuses pour tester la physique constitutive des étoiles et développer les modèles
stellaires de demain. Sur ces thèmes, notre équipe démontre d'intéressantes synergies entre théorie /
modélisation, observation / analyse et évolution stellaire / astérosismologie qui doivent permettre de
développer davantage notre leadership dans ce domaine.
2.1.3
Magnétisme solaire et stellaire
Le champ magnétique joue un rôle fondamental et jusqu’à présent mal connu sur les processus
de transport interne aux étoiles et sur l’interaction des étoiles avec leur environnement
(vents/disques/planètes). Ces dernières années, la nouvelle génération de spectro-polarimètre échelle
haute résolution (NARVAL au TBL, ESPaDOnS au CFHT) construits au LATT a considérablement
amélioré notre capacité à détecter et cartographier les champs magnétiques à la surface des étoiles
(Donati & Landstreet 2009, ARAA). Au cours de la période évaluée, notre équipe a joué un rôle
prépondérant dans l’exploitation scientifique de ces instruments en participant à tous les grands
programmes d’exploration du diagramme HR, le plus souvent en tant que PI des collaborations
internationales mises en place pour répondre aux appels d’offre des “Large Programme” du CFHT et
du TBL. Une évolution très positive par rapport au précédent quadriennal a été la participation active
des modélisateurs de l’équipe PSE dans ces collaborations. Dans le même temps, les efforts de
modélisation par simulations numériques MHD ont porté sur les processus dynamos dans les étoiles
de type solaire et les disques d’accrétion. Dans le domaine de la physique solaire, les mouvements de
surface et leur interaction avec le champ magnétique ont été analysés grâce aux données des satellites
Hinode et SDO.
Nos principaux résultats ont été obtenus dans trois sous-thématiques le magnétisme et les
processus de magnéto-accrétion des étoiles jeunes, le magnétisme du Soleil et des étoiles froides, et le
magnétisme des étoiles chaudes.
Le champ magnétique joue aussi un rôle fondamental sur la formation d’une étoile et de son
cortège de planètes, alors que cette étoile est encore entourée d’un disque dont elle continue à accréter
la matière. Le champ magnétique de l’étoile creuse une cavité au centre du disque et canalise la
matière du disque accrétée par l’étoile sous la forme de colonnes de plasma magnétiquement confinées
- colonnes qui engendrent alors un couplage magnétique entre l’étoile et le disque capable de freiner
efficacement la rotation de la protoétoile. Le champ magnétique du disque va également perturber la
rotation du disque et modifier, par le biais d’instabilités, son taux d’accrétion; il va aussi réduire la
tendance naturelle du disque à se fragmenter, et donc son efficacité à former des planètes. Le Large
Programme MaPP a permis d’étudier pour la première fois les topologies magnétiques à grande
échelle d’une dizaines de ces objets (T Tauris classiques ou cTTSs). Les résultats de ces analyses et
des études théoriques associées, qui ont fait l’objet d’une vingtaine de publications (e.g. Donati et al
2010a, b, 2011a, b, c, 2012, 2013), ont en particulier permis de montrer que la topologie magnétique
de ces protoétoiles, variable à l’échelle de quelques années donc produite par effet dynamo, reflète
fidèlement la structure stellaire interne d’une manière très similaire à celle des étoiles de la séquence
principale (e.g. Gregory et al 2012). Ces études permettent en particulier de mieux appréhender
l’impact du champ magnétique sur l’évolution précoce d’une étoile de faible masse, et en particulier
sur l’évolution de son moment cinétique (Donati et al 2013). Un nouveau Large Programme,
MaTYSSE, est en cours pour étudier d’une manière similaire la topologie magnétique des étoiles dont
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
30
Section des unités de recherche
le disque d’accrétion vient juste de se dissiper; ce programme ambitionne également d’étudier la
présence éventuelle de Jupiters chauds autour de ces étoiles, pour mieux contraindre les mécanismes
de formation de ces planètes. Avec SPIRou (voir section 2.1.6) dont la sensibilité magnétique sera
largement supérieure à celle d’ESPaDOnS, ces programmes d’observation prendront une nouvelle
ampleur, permettant l’exploration d’un échantillon beaucoup plus large et comprenant des étoiles
nettement plus précoces.
Toujours sur les disques d’accrétion, un travail théorique poussé a permis de mieux comprendre
les mécanismes physiques et les conditions d'excitation d'une dynamo magnéto-rotationnelle et de
turbulence MHD auto-entretenue (Herault et al 2011; Riols et al 2013, 2014).
Pour comprendre l'évolution couplée du champ magnétique et de la rotation du Soleil jeune
(ANR Toupies), un Large Programme d’observations spectropolarimétriques d’étoiles d’amas
couvrant la fin de la pré-séquence-principale et le début de la séquence principale a été lancé (Folsom
et al 2013).
Pour les étoiles froides, les mouvements de convection thermique présents sous la surface sont
avec la rotation de l’étoile les deux ingrédients essentiels du processus dynamo de génération du
champ magnétique. Des grands programmes d’observations sur NARVAL et ESPaDOnS consacrés
aux étoiles FGK, aux étoiles M et aux étoiles de la branche des géantes permettent aujourd’hui l’étude
de ces dynamos, dites de type-solaire, dans des conditions très variées de convection et de rotation.
Les résultats sont dores et déjà spectaculaires : un cycle magnétique par renversement de polarité du
champ a été observé pour la première fois dans une étoile autre que le Soleil (Fares et al 2009); la
sensibilité de la topologie magnétique aux effets de la rotation a été mise en évidence par l’étude
d’étoiles similaires au Soleil, les “jumeaux solaires” (Petit et al 2009), et ces résultats ont été comparés
à des simulations numériques de processus dynamo dans des modèles de Soleils jeunes avec des
rotations de 1 à 10 fois le taux solaire (Jouve et al. 2010a). Les premières détections directes de
champs magnétiques tout au long de la séquence évolutive, géantes (Aurière et al 2009, 2014),
supergéantes (Aurière et al 2010a) et Mira (Lèbre et al 2014) sont également un fait marquant de la
période. Elles ouvrent un nouveau domaine de paramètre pour la dynamo stellaire au moment où la
sismologie est en train d’ajouter des contraintes inédites sur la rotation interne de ces étoiles
(Deheuvels et al. 2014). Finalement les étoiles de faibles masses, les étoiles M, ont montré que leur
champ magnétique évolue de façon drastique lorsque l’étoile passe de partiellement, à complètement,
convective, puis dans le domaine des étoiles de plus faible masse et en rotation rapide, une coexistence
entre deux types de configurations magnétiques très différentes a été mise en évidence (Morin et al.
2010).
Le Soleil reste unique dans ce contexte par la résolution temporelle et spatiale qu’il offre.
L’expertise de l’équipe dans l’analyse de ses mouvements de surface, construite sur l’exploitation des
données de la lunette Jean Rösch du Pic du Midi, nous a ouvert l’accès des données spatiales de
Hinode et SDO, permettant l’étude des différentes échelles du mouvement et de leur interaction avec
le champ magnétique avec une précision inégalée (Roudier et al 2009, 2012, 2013, 2014; Rieutord &
Rincon 2010 Living Reviews of Solar Physics, Rieutord at al 2010, Müller et al 2010). Ces études
observationnelles sur l'interaction écoulement/champ magnétique dans le plasma solaire
s'accompagnent d'un travail de modélisation. Celui-ci a en particulier porté sur l'étude par simulation
numérique 3D des taches magnétiques stellaires, depuis leur création au sein de l'étoile (Favier et al
2012), en passant par leur transport et évolution dans la zone convective, jusqu'à leur émergence en
surface (Jouve & Brun 2009, Jouve et al 2013). L’influence de ces processus sur la modulation à long
terme du cycle magnétique a également été étudiée numériquement (Jouve et al 2010b).
Les étoiles chaudes, c’est-à-dire les étoiles massives et de masse intermédiaire non évoluées,
n’ont pas d’enveloppe convective et leur magnétisme ne ressemble pas à celui des étoiles de type
solaire. Un champ est observé dans environ 5 % des étoiles de masse intermédiaire, les Ap/Bp, mais
son origine et son influence sur l’évolution des étoiles chaudes sont des énigmes tenaces de la
physique stellaire. Au cours de la période, les découvertes d’un désert magnétique entre 100G et 1G
pour les étoiles de masse-intermédiaire (Aurière et al 2010b) puis d’un nouveau type de magnétisme
infra Gauss à la surface des étoiles Vega (Lignières et al. 2009, Petit et al. 2010) et Sirius (Petit et al.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
31
Section des unités de recherche
2011) ont renouvelé profondément notre vision de ce magnétisme et suggèrent de nouvelles pistes
pour expliquer son origine. Un Large Programme de recherche de champ Vega-like avec NARVAL et
des études théoriques sont en cours dans le cadre du projet Imagine (contrat ANR 2013-2017,
Lignières et al. 2014).
Une base de données de spectres polarisées, PolarBase (http://polarbase.irap.omp.eu/), a été
construite puis labellisée par l’INSU comme service d’observation AA-SO5 en 2013 et fait partie du
centre d’expertise régional OV-GSO. Cette base sera essentielle pour valoriser les données NARVAL
et ESPaDoNS auprès de la communauté stellaire dans son ensemble (Petit et al. 2014).
2.1.4
Processus fondamentaux en dynamique des fluides astrophysiques et transfert
radiatif
Certains des processus que nous étudions, notamment les processus hydrodynamiques et de
transfert radiatif, nécessitent des recherches en amont des applications astrophysiques qui les ont
motivées. Elles s’inscrivent alors dans un contexte plus général et sont le plus souvent publiées dans
des journaux de physique. La capacité de l’équipe de PSE à mener ce type de recherche dans le
domaine de la dynamique des fluides astrophysiques est unique en France et au meilleur niveau dans
le monde.
Les résultats obtenus dans la période 2009-2014 concernent les oscillations stellaires, la
turbulence hydrodynamique et magnétohydrodynamique des écoulements cisaillés, la dynamique des
plasmas non-collisionnels et le transfert radiatif hors ETL.
Nous cherchons à modéliser les effets de la rotation sur les modes d’oscillation des étoiles et les
processus non-linéaires qui déterminent l’amplitude de ces modes, avec pour objectifs d’une part de
réaliser l’astérosismologie des étoiles massives et de masse-intermédiaire et d’autre part de
comprendre la dissipation des effets de marées dans les systèmes binaires. L’évolution drastique des
modes de pression et de gravité en fonction de la rotation de l’étoile a été explorée en détail grâce au
code TOP (Ballot et al. 2010, 2013) avec notamment la découverte des modes rosaces (Ballot et al.
2012). Une analyse asymptotique basée sur la dynamique des rayons a permis de comprendre cette
évolution dans le contexte de la théorie du chaos d’onde initialement développée en physique
quantique (Lignières & Georgeot 2009, Pasek et al 2011 Phys. Rev. Lett., 2012). Parallèlement, nous
avons modélisé plusieurs aspects fondamentaux de la physique des modes inertiels : l’excitation par
les couches critiques dans des expériences de laboratoire de Couette sphérique (Rieutord et al 2012),
l’effet de la rotation différentielle sur les modes dont l'énergie se concentre le long de cycles
périodiques (Baruteau & Rieutord 2013) et, pour ce même type de modes, la mise en évidence d’un
processus de saturation non-linéaire par une instabilité sous harmonique (Jouve & Ogilvie 2014).
L’effet de la convection thermique sur l’amplitude des modes de pression excités par kappa
mécanisme a également fait l’objet d’une étude approfondie, très novatrice (Gastine & Dintrans
2011a,b).
La dynamique non-linéaire des écoulements cisaillés a été étudiée dans deux contextes
différents, les disques d’accrétion et les intérieurs stellaires, au moyen de simulations numériques
locales. Nous avons mis en évidence que l'excitation sous-critique d'une dynamo magnétorotationnelle chaotique dans un disque Képlérien se fait par des bifurcations globales homoclines, ce
qui représente une première pour un système fluide en 3 dimensions (Riols et al 2013, 2014). Nous
avons effectué les premières simulations permettant de tester les modèles de transport des éléments
chimiques par une turbulence de cisaillement, modèles largement utilisés dans les codes d’évolution
stellaire (Prat & Lignières 2013, 2014).
La description fluide MHD étant inadéquate pour décrire la dynamique de nombreux plasmas
astrophysiques peu collisionnels (ICM, accrétion chaude, plasmas spatiaux), nous collaborons
activement avec des collègues étrangers à un projet ambitieux de théorie et de modélisation numérique
cinétique multidimensionnelle et multiéchelle pour de tels plasmas (Schekochihin et al 2010; Rosin et
al. 2011, Rincon et al., 2014).
Nous développons également de nouvelles méthodes numériques pour le transfert radiatif horsETL (Paletou & Anterrieu 2009; Nicolas et al 2011). Ces méthodes ont notamment abouti à une
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
32
Section des unités de recherche
modélisation 2D du spectre de l’hélium formé dans les protubérances solaires qui a été confrontée aux
observations effectuées à Thémis (Léger & Paletou 2009).
2.1.5
Exoplanètes
Ces dernières années, l'équipe PSE a vu s'étoffer ses activités reliées au domaine des
exoplanètes. Outre la composante liée à la recherche d'exoplanètes par "micro-lensing", ce thème
émerge souvent naturellement de nos activités principales, que ce soit en processus physiques
fondamentaux, magnétisme stellaire ou astérosismologie.
L'équipe a continué de s’impliquer dans la recherche d’exoplanètes par la technique des
microlentilles gravitationnelles et dans la modélisation de leurs courbes de lumière à travers les
grandes collaborations internationales PLANET (Probing Lensing Anomalies NETwork), OGLE,
MOA, microFUN, RoboNet, LCOGT (e.g., Bachelet et al 2012, Cassan et al 2012 Nature). Celles-ci
ont globalement conduit à de nombreux résultats publiés ces 5 dernières années.
Une évolution majeure de la période a été le démarrage du projet SPIRou, un spectropolarimètre infrarouge qui devra être installé en 2017 au CFHT, et dont l’objectif principal est la
recherche et la caractérisation d’exoplanètes autour d’étoiles de très faible masse. Le projet est décrit
dans la partie Projets instrumentaux avec le projet NeoNARVAL qui vise à améliorer la stabilité
spectrale du spectro-polarimètre visible NARVAL. Un des intérêts de la combinaison de la spectropolarimétrie et de la vélocimétrie est de pouvoir étudier et, au moins en partie, soustraire le signal en
vitesse radiale induit par l’activité magnétique. Ce signal peut en effet cacher ou mimer celui induit
par une planète. A ce titre, la découverte puis le monitoring du champ magnétique de Pollux a montré
que la modulation en vitesse radiale n’était en fait pas due à une planète (Aurière et al 2014). Une
thèse est en cours sur ce sujet dans le cadre de la préparation de SPIRou.
L'étude par l'astérosismologie d'étoiles centrales de systèmes planétaires observées au sol avec
HARPS (ESO) et SOPHIE (TBL) ou depuis l'espace (CoRoT, Kepler) est une autre facette de cette
thématique émergente. La sismologie permet en effet de contraindre avec précision les paramètres
stellaires (rayon, masse, âge) dont la connaissance est indispensable pour caractériser les planètes
(rayons, densités, statut évolutif des systèmes) (Ballot et al 2011, Escobar et al 2012, Vauclair 2014).
La découverte de deux planètes de dimensions terrestres en orbites proches autour de l'étoile
sdB Kepler 70 (Charpinet et al 2011, Nature) a montré que des planètes peuvent survivre à une
immersion dans l'enveloppe d'une étoile géante rouge. Ces corps sont probablement les restes du
noyau d'une ou deux planètes géantes gazeuses à présent évaporées. Cette découverte suggère
également qu'une partie des étoiles sdB naissent de l'interaction entre l'étoile et ses planètes pendant la
phase géante rouge. Cette hypothèse semble indirectement corroborée par la mesure de la distribution
de masse des étoiles sdB isolées obtenue par astérosismologie (Fontaine et al 2012).
L'étude de l'accrétion de matière provenant de disques de débris planétaires sur les étoiles naines
blanches est une autre composante des relations étoiles/planètes dans les phases avancées de
l'évolution. La pollution en métaux observée dans l'atmosphère des naines blanches de type DAZ et
DBZ trahit la chute récurrente d'astéroïdes détruits par l'intense champ gravitationnel de l'étoile
centrale, révélant leur composition interne. Le calcul des taux d'accrétion nécessite d'évaluer le temps
de sédimentation gravitationnelle des éléments lourds. Ceux-ci ont été recalculés en tenant compte de
la convection thermohaline, négligée jusqu'alors (Deal et al 2013) et une contradiction entre les taux
observés pour les DA et ceux déduits pour les DB semble avoir été levée.
Un relevé spectropolarimétrique d’étoiles à planète a été effectué pour étudier l’effet des
interactions étoile/planète sur le champ magnétique de l’étoile. Il a permis de découvrir un cycle
magnétique rapide (Fares et al. 2009) mais pas encore d’effets significatifs sur la topologie des champs
stellaires (Fares et al 2013).
Des développements théoriques dans l'équipe abordent également le thème des exoplanètes sur
le plan de la migration des corps formés dans les phases précoces des systèmes stellaires. Cette
migration, qui résulte des interactions entre les planètes et leur disque protoplanétaire, joue un rôle clé
dans l'architecture des systèmes exoplanétaires. Par des simulations (magnéto)-hydrodynamiques,
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
33
Section des unités de recherche
nous avons déterminé comment la direction et la vitesse de migration planétaire dépendent des
propriétés radiatives, magnétiques et turbulentes des disques protoplanétaires (Baruteau et al 2013).
Ces résultats démontrent la très nette évolution de l'équipe sur la thématique des exoplanètes.
Cette évolution est encore assez peu structurée, comme en témoigne la diversité des résultats obtenus,
mais l’élaboration de lignes directrices communes s'annonce comme le principal chantier du prochain
quinquennal pour consolider notre rôle sur ce thème émergent.
2.1.6
Projets instrumentaux
Faisant suite aux réalisations des instruments ESPaDOnS et NARVAL dont les succès ont établi
un leadership mondial dans le domaine de la spectropolarimétrie stellaire, l’équipe PSE s’est engagée
pour la construction de nouveaux instruments qui combinent velocimétrie haute précision et
spectropolarimétrie.
SPIRou est un spectropolarimètre / vélocimètre de haute précision, fonctionnant
dans l’infrarouge proche (0.98 - 2.35 μm) destiné au Télescope Canada-France-Hawaii (CFHT). Il
permettra en particulier de détecter / caractériser les planètes telluriques habitables autour d’étoiles de
très faible masse et d’étudier l’impact du champ magnétique sur la formation des étoiles et des
planètes, mais également d’étudier les atmosphères des planètes et des exoplanètes ou la génération
des champs magnétiques dans les astres entièrement convectifs.
Le concept technique proposé en fait l’instrument le plus performant au monde pour aborder ces
sujets notamment grâce à son accès à la bande K et à ses capacités polarimétriques. Par ses
innovations SPIRou apportera une révolution observationnelle d’une ampleur similaire à celle
qu’ESPaDOnS a permis lors de sa mise en service il y a une dizaine d’années.
SPIRou est un projet international impliquant 10 instituts et 6 pays. L’IRAP et l’UMS-OMP en
assurent de concert la responsabilité scientifique (IRAP), le management technique (UMS), une partie
importante de la conception et de la construction instrumentales ainsi que la phase d’intégration et de
tests. SPIRou a passé avec succès les revues de CoDR (Oct 2010) et de PDR (Oct 2012), et de FDR
(Apr 2014). La construction a commencé en juin 2014, pour une intégration du spectrographe
cryogénique en 2015 et une intégration / validation / et « acceptation » de l’instrument complet en
2016. La première lumière au CFHT est prévue pour début 2017. Le cout consolidé de SPIRou
s’élève à 10 M€, dont 4 M€ pour les composants matériels - cout pris en charge principalement par la
France, mais aussi par le CFHT, le Canada, la Suisse, Taiwan, le Brésil et le Portugal.
Le projet NeoNARVAL vise à faire évoluer l’instrument NARVAL du Télescope Bernard Lyot
vers un spectropolarimètre dans le visible stabilisé en vitesse radiale. NeoNARVAL permettra de
poursuivre l’étude des champs magnétiques stellaires dans le domaine visible en y ajoutant la
recherche d’exoplanètes autour d’étoiles magnétiques de faible masse et de masse intermédiaire,
notamment les étoiles évoluées de type géantes rouges.
La solution technique retenue est l’installation de l’ensemble du spectrographe dans une
enceinte stabilisée en pression et en température. De plus, un brouillage de la lumière par
l’introduction d’éléments de fibres octagonales, une injection améliorée grâce à un tip-tilt, et le rajout
d’une fibre de calibration supplémentaire permettront d’atteindre une précision de l’ordre de 2 m/s.
Ces solutions techniques ont déjà été validées sur d’autres instruments. Le groupe projet a été établi
début 2014 et la grande majorité du financement a été demandée dans le cadre de l’appel d’offre
CPER 2015-2017 (500k€). Le calendrier prévoit un déploiement courant 2016.
Dans la foulée de SPIRou, nous envisageons également de construire une, voire deux copies de
cet instrument pour d’autres télescopes accessibles à la communauté française - en particulier le TBL
et le NTT de l’ESO. SPIP, la copie de SPIRou pour le TBL, pourra contribuer à hauteur de près de
40% aux grands relevés qui seront menés conjointement avec SPIRou. Si le financement de SPIP,
demandé dans le cadre du CPER 2015-2020, est accordé, la construction débutera en 2017 pour une
mise en service au TBL fin 2018. Une deuxième copie de SPIRou pour le NTT de l’ESO est
également proposée en parallèle de la construction de SPIP (sur un calendrier similaire et avec un
financement recherché auprès de l’ERC), notamment pour offrir une couverture du ciel austral - tant
pour les programmes sur les exoplanètes que pour ceux sur la formation stellaire et planétaire.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
34
Section des unités de recherche
2.1.7
Projets numériques
Notre capacité à développer, à maintenir et à diffuser des codes numériques au meilleur niveau
mondial est essentielle pour la composante modélisation de l’équipe PSE. Plus de la moitié des
chercheurs permanents développent directement des codes qui concernent toutes les thématiques de
l’équipe. En astérosismologie, il s’agit de codes d’analyse des courbes de lumières (FELIX, A2Z), de
calcul des fréquences d’oscillations (TOP) et d’optimisation des solutions astérosismiques (LUCY,
…). Pour l’évolution stellaire, nous développons et maintenons les codes TGEC et ESTER, et
participons au code de transfert radiatif PHOENIX. Dans le domaine de la dynamique des fluides
astrophysiques, nous développons des codes cartésiens (BALAÏTOUS, ANTARES), cylindriques
(FARGO, SNOOPY), sphériques (STELEM) ou généralistes (PENCIL, PEANUTS).
Notre expertise et nos projets les plus ambitieux se concentrent sur les codes de résolution des
équations aux dérivées partielles, 2D ou 3D, de la MHD (7 chercheurs concernés). Dans ce domaine,
nous développons ou co-développons des codes de tout premier plan au niveau mondial : le code TOP,
unique pour le calcul des modes d’oscillation des étoiles en rotation rapide, le code d’évolution
stellaire 2D ESTER, le code PEANUTS pour le calcul de solutions non-linéaires des écoulements
fluides, le code FARGO qui simule l’interaction entre une planète et le disque circumstellaire ou le
code PENCIL MHD généraliste.
Au cours de la période évaluée, les développements numériques les plus importants réalisés au
sein de l’équipe ont été les suivants : ESTER a été mis à disposition de la communauté stellaire
(http://code.google.com/p/ester-project/) à la suite de développements majeurs (algorithme de
convergence, réécriture en C++). Le calcul détaillé des accélérations radiatives a été inclus dans
TGEC (Théado et al. 2012). Des méthodes implicites en temps ont été introduites dans le code
PENCIL (Thèse T. Gastine). D’autres développements conséquents ont été réalisés sur les codes
BALAÏTOUS (Thèse V. Prat), STELEM, NIRVANA, VLASOV 6D et des codes locaux d’imagerie
Zeeman-Doppler et de suivi des granules solaires. Pour le calcul, nous avons accès aux centres
régionaux (mésocentre Calmip), nationaux (IDRIS) et européens (PRACE) sur la base d’appel d’offre.
En 2013 par exemple, l’équipe a consommé de l’ordre de 4 millions d’heures CPU sur ces machines.
Un autre fait marquant est le recrutement en juin 2014, et pour une durée de trois ans, d’un IR
CDD spécialisé dans le calcul scientifique. Ce renfort technique est primordial pour nous permettre
d’utiliser le plus efficacement les nouveaux supercalculateurs et pour améliorer l’interface utilisateur
et la diffusion de nos codes.
2.1.8
Rayonnement et attractivité académiques
Les membres de PSE sont leader de plusieurs projets internationaux et nationaux : les projets
instrumentaux SPIRou/SPIP/SPIRou-S et NeoNARVAL; la collaboration internationale Bcool autour
du magnétisme des étoiles froides (http://bcool.ast.obs-mip.fr/Bcool/); six « Large Programme »
d’observations utilisant les instrument ESPaDOns (CFHT) et NARVAL (TBL) pour un total de 1450
heures et 1912 heures respectivement (MaPP, MaTYSSE, Bcool, TOUPIES, Red Giants et Vegalike) ; trois projets financés par l’ANR : MaPP (2007-2011), ESTER (2010 - 2014) et IMAGINE
(2013-2017) ; et de nombreux projets financés par les programmes nationaux de l’INSU,
principalement PNPS, mais aussi PNST et PNP. Nous participons aussi aux grandes collaborations des
missions spatiales CoRoT, Kepler et PLATO, à deux projets européens financés dans le cadre du FP7
(SpaceInn en sismologie stellaire, et Solarnet en physique solaire), et à deux projets ANR (SIROCO
2007-2011, TOUPIES 2012-2016). Nous avons également bénéficié de financements sur des
programmes d’échanges internationaux avec l’Autriche (programme Amadeus financé 3 ans), la
Bulgarie (programme Campus/RILA pendant 4 ans), l’Inde (financement indien de 3 ans) et la Chine.
Pour le plus long terme nous participons activement à la préparation du concept de mission spatiale
UVMag, et nous nous impliquons dans la collaboration pour le futur observatoire spatial ATHENA de
l’ESA en lien avec le groupe GAHEC de l’IRAP.
Au cours de la période évaluée nous avons organisé deux grandes conférences internationales
(« The space photometry revolution » - Conférence CoRoT/Kepler - Toulouse, juillet 2014 ; «
Magnetic fields throughout stellar evolution » - Conférence IAU 302 - Biarritz, août 2013), une
session de l’Ecole de Physique des Houches (« The future of plasma astrophysics: combining
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
35
Section des unités de recherche
experiments, observations, simulations and theory », février 2013), une session de l’Ecole Evry
Schatzman de physique stellaire (Aussois février 2013), ainsi que deux ateliers (« The 6th conference
on hot subdwarfs stars and related objects » – Tuscon/USA mai 2013 ; « The ESTER workshop » Toulouse juin 2014).
Entre 2009 et 2014, l’équipe PSE s’est enrichie de 5 nouveaux chercheurs : 4 jeunes chercheurs
recrutés par concours (2 EC et 2 CR1) et 1 chercheur (DR) par mobilté. Ces arrivées montrent
l’attractivité de l’équipe d’autant qu’aucun de ces nouveaux arrivants n’avait fait sa thèse à Toulouse.
Nous avons également fait venir plusieurs chercheurs invités pour des séjours supérieurs à deux mois
(R. Konstantinova-Antova - Bulgarie / A. Vincent - Canada / J. C. Suarez - Espagne / J. Fu - Chine / A.
Hanselmaier - Autriche / E. Poretti - Italie / J. Do Nascimento - Brésil) et une chaire d’excellence pour
G. Hussain (ESO) vient d’être obtenue auprès de l’IDEX de l’Université de Toulouse.
Des membres de PSE participent, ou ont participé au cours de la période, à différents comités
d’expertise au niveau national : la section 17 du comité national du CNRS, le CNAP, plusieurs
comités de sélection pour les postes d’Enseignant-Chercheur (dont une présidence de comité), les
comités d’experts de l’INSU (CSA, PNPS, PNST, CS2M, TAC du CHFT) dont la direction actuelle
du PNPS, des comités d’expert AERES (dont une présidence). Au niveau local, un membre de PSE
assure la responsabilté du mésocentre de calcul CALMIP. Nous sommes également régulièrement
sollicités pour des expertises au niveau international. En outre, nous avons des représentants dans les
instances des associations d’astronomes au niveau national, SF2A, et international, IAU.
Finalement, les bases de données solaires (CDAB-BASS2000) et spectropolarimétriques
(PolarBase), ainsi que la mise à disposition de cartes de champs de vitesses de la surface du Soleil à
partir des données SDO et de codes libres développés dans l’équipe
ESTER - http://code.google.com/p/ester-project/
GLPULSE3D - http://userpages.irap.omp.eu/~scharpinet/glpulse3d/,
FARGO - http://fargo.in2p3.fr/,
contribuent à notre visibilité. Un membre de PSE a donné des conférences Grand Public à
Washington en 2009 et à Pékin en 2013 sur invitation des Ambassades de France aux Etats-Unis et en
Chine. A noter également l’organisation d’un colloque international « New advances in stellar
physics: from microscopic to macroscopic processes » en l’honneur de Sylvie Vauclair à Roscoff (70
participants, mai 2013).
2.1.9
Diffusion de la culture scientifique
L’événement marquant de la période a été l’Année Mondiale de l’astronomie en 2009 dont
l’organisation pour le Grand Sud-Ouest était sous la responsabilité d’un membre de notre équipe. Une
centaine de projets ont vu le jour à cette occasion, certains continuant de manière pérenne avec en
particulier l’exposition « Nature magnétique : des atomes aux étoiles » pour laquelle des membres de
l’équipe PSE étaient fortement impliqués.
Nous participons activement à des associations spécialisées dans la diffusion de la culture
scientifique (Science Animation Midi Pyrénées, Les Petits Débrouillards) ainsi qu’au comité
d’orientation du Pôle Territorial de Référence « Sciences et Société en Midi Pyrénées », crée en 2013,
qui regroupe l’ensemble des associations de culture scientifique de la région, sous l’égide du Conseil
Régional et de Univers-Sciences.
Dans le domaine de l’édition scientifique, un membre de l’équipe PSE a publié deux livres
« grand public » : la Terre, l’Espace et au-delà, éd Albin Michel, et La Nouvelle Musique des Sphères,
éd Odile Jacob, et a participé à quatre livres collectifs : Le système solaire (ellipses), sous la direction
d’Anny Chantal Levasseur Regourd, 2009 ; Petite histoire de la matière et de l’univers (éd. Le
Pommier), sous la direction d’Hubert Reeves, 2009 ; L’Homme à la recherche de nouveaux mondes :
une nouvelle révolution copernicienne ? éd. GREP, 2009, sous la direction de Jean-Pierre Rouzière, et
Habiter la Terre en poète, sous la direction de Michel Cazenave, Les Editions du Palais, 2013.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
36
Section des unités de recherche
2.1.10 Organisation et vie du groupe
L’équipe PSE existe en pratique depuis juin 2010. Elle compte en moyenne une trentaine de
membres (thésards, postdoc, chercheurs permanents) dont la majorité est regroupée sur le site Belin de
l’Observatoire, alors que 3 chercheurs travaillent sur le site de Tarbes leur activité étant ou ayant été
liée au Pic du Midi.
L’activité scientifique a été structurée autour de trois thématiques principales,
l’astérosismologie et les modèles stellaires nouvelle génération, le magnétisme solaire et stellaire, les
processus fondamentaux en dynamique des fluides astrophysiques et transfert radiatif, et une
thématique émergente les exoplanètes. Il faut noter que cette structuration ne correspond pas à une
structuration en sous-groupes de chercheurs. Au contraire, le fait que la plupart des chercheurs soient
impliqués dans plusieurs de ces thématiques assure des liens étroits entre elles.
L’élément de base de l’animation scientifique au sein de PSE est le Journal Club qui a lieu tous
les 15 jours à heure et jour fixes (hors vacances scolaires). Des réunions plus informelles « les
dicussions du mardi » ont également été mises en place au début de l’IRAP pour encourager le
démarrage de collaboration au sein du groupe. Finalement, des workshop d’équipe ont été organisés
tous les ans depuis 2010, à chaque fois pour une durée de deux jours et dans un lieu situé entre 1h30 et
2h30 de Toulouse. L’objectif du workshop de kickoff de l’équipe PSE était de promouvoir des projets
communs au sein du groupe. Le 2ème workshop a été consacré aux exoplanètes (avec des intervenants
exérieurs) et aux projets très amonts dans l’équipe. Le 3ème workshop a mis l’accent sur les
projets numériques. Le 4ème workshop, co-organisé avec l’équipe de physique stellaire du
LUPM, s’est concentré sur les thématiques communes aux deux équipes.
Des réunions d’informations et de discussions sur les priorités du groupe sont également
organisées, en essayant au maximum d’utiliser les rendez-vous réguliers des JC. Les règles de
répartition du budget de l’équipe (30 kE/an) ont été établies en 2010 et sont restées les mêmes depuis.
Elle vise en premier lieu à assurer un financement de base à chaque membre du groupe (1kE) puis,
grâce aux sommes non-utilisées, à ouvrir un appel d’offre interne début septembre.
Au final la fusion des trois équipes de physique stellaire du LATT en une seule entité est jugée
positivement par les membres du groupe, notamment parce que les échanges ont été facilités et ont
conduit à l’émergence de projets communs.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
37
Fiche synthétique IRAP - GPPS
Présentation synthétique du Groupe
« Géophysique Planétaire et Plasmas Spatiaux »
GPPS
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
___________________________________________________________________________________________
Intitulé : Equipe Géophysique Planétaire et Plasmas Spatiaux (GPPS)
Nom du directeur de l’équipe pour le contrat en cours : M.J. Toplis (responsable) ; P-L Blelly (adjoint)
Nom du directeur de l’équipe pour le contrat à venir :
___________________________________________________________________________________________
Effectifs de l’entité (au 1er janvier 2011, création de l’IRAP).
20 enseignants-chercheurs et CNAP, 23 chercheurs, 6 Post-docs, 13 Doctorants.
Personnels ayant quitté l’entité pendant le période janvier 2011 à juin 2014.
4 Chercheurs et E.C. (2 mutations, 2 détachements) (108 mois) ; 7 post-docs (145 mois); 12 doctorants (240 mois).
Nombre de recrutements réalisés au cours de la période (2011 – 2014) et origine des personnels
2 CR CNRS par concours (en section 18 : assistant professeur à l’Université de Bayreuth ; en section 17 : Post-doc
NASA).; 1 Astronome adjoint par concours (post-doc NASA) ; 2 CR par mutation (section 18 : Lyon ; section 17 :
Orléans) ; 10 post-docs et 16 doctorants.
___________________________________________________________________________________________
Réalisations et produits de la recherche au cours de la période écoulée (1er janvier 2009 – 30 juin 2014) :
1) Le rover Curiosity, arrivé à la surface de Mars en août 2012, a à son bord ChemCam, instrument conçu et réalisé à
Toulouse grâce à la participation d’un grand nombre de scientifiques et d’ingénieurs de l’équipe. L’aventure se
poursuit à travers une implication quotidienne aux opérations du rover et à travers la valorisation des résultats.
2) Déploiements de réseaux sismiques : le groupe a proposé et mené d’importants déploiements de réseaux
sismiques permanents (SISPyr-Interreg) et temporaires (PYROPE-ANR), contribuant à l’effort international de disposer
de données géophysiques issues de réseaux denses et à l’imagerie de la croûte terrestre à haute résolution.
3) Vent plasmasphérique autour de la Terre : l’existence d’un vent, transportant continuellement du plasma froid
de la plasmasphère terrestre vers l’extérieur avait été postulée à partir de calculs théoriques depuis 20 ans. Grâce
aux résultats de la mission Cluster nous avons fourni les premières observations qui confirment l’existence de ce vent.
4) Héliosphère et valorisation des données des sondes STEREO (Solar Terrestrial Relations Observatory). Grâce aux
données de STEREO nous avons réalisé un nombre important de travaux concernant les liens entre la dynamique de la
couronne solaire et la dynamique de l’héliosphère, en particulier concernant le suivi et l’érosion des CME.
5) Travaux théoriques sur les plasmas spatiaux : Un modèle cinétique innovant, qui prend en compte le calcul
électromagnétique complet, a été développé pour étudier les instabilités des couches de courant. Ce travail pionnier
est très prometteur car il permet de comprendre la déstabilisation catastrophique de structures de courant.
Vague A : campagne d’évaluation 2014 – 2015
janvier 2014
Fiche synthétique IRAP - GPPS
___________________________________________________________________________________________
Bilan quantitatif des publications de l’entité.
Les membres du groupe ont participé à ~650 publications de rang A de la littérature internationale pendant la période
2009-2014, dont 13 dans Nature et Science. Nous avons rédigé 3 livres et édité 2 autres, contribuant à 8 chapitres
dans d’autres oeuvres. 24 thèses et 7 HdR ont été soutenues pendant cette période.
___________________________________________________________________________________________
5 publications majeures de l’entité (auteurs du groupe soulignés).
•
Monnereau M., Calvet M., Margerin L., Souriau A. (2010) Lopsided growth of Earth's inner core. Science, 328, 1014.
•
Baratoux D., Toplis M.J., Monnereau M., Gasnault O. (2011) Thermal history of Mars inferred from orbital
geochemistry of volcanic provinces. Nature. 472 : 338-U235
•
Meslin P-Y., Gasnault O., Forni O., Schroeder S., Cousin A., Berger G., Clegg S. M., Lasue J., Maurice S. et al.
(2013). Soil diversity and hydration as observed by ChemCam at Gale crater, Mars. Science, 341, article 1238670.
•
Dandouras, I. (2013). Detection of a plasmaspheric wind in the Earth's magnetosphere by the Cluster spacecraft.
Annales Geophysicae, 31, 1143.
•
Ruffenach A., Lavraud B., Owens M.J., Sauvaud J.-A., Savani N.P., Rouillard A.P., Demoulin P., Foullon C., Opitz
A., Fedorov A., Jacquey C.J., Genot V., Louarn P. et al. (2012) Multispacecraft observation of magnetic cloud
erosion by magnetic reconnection during propagation. J. of Geophysical Research-Space Physics, 117, A09101.
___________________________________________________________________________________________
5 documents majeurs (autres que les publications) produits par l’entité.
•
« LAPLACE : A mission to Europa and the Jupiter System for ESA's Cosmic Vision Programme » (2009).
•
« CEPAGE (Charged Particle Analyzers for Galilean Environments) » A proposal to ESA for the mission JUICE (2013)
•
« SuperCam : An instrument suite for the Mars2020 rover » A proposal to NASA for the mission Mars2020 (2014).
•
Rapport d’activité du Centre de Données de la Physique des Plasmas: http://cdpp.eu/index.php/overview.html
•
Final report of Europlanet-RI (FP7 ; 2009-2012). http://www.europlanet-ri.eu/services/documents/Doc/View?252
___________________________________________________________________________________________
5 faits illustrant le rayonnement ou l’attractivité académique.
•
Organisation de plusieurs conférences internationales (par ex. EMPG - Toulouse, 2010; ISSI-Europlanet - Berne,
2011; Chapman Conference - Toulouse, 2012 ; Comets – Toulouse, 2014).
•
Coordination du réseau EUROPLANET, PI de projets ANR (PYROPE, RHUM, MON-ANR, PALLAS) ; leaders de workpackages dans les projets HELCATS (FP7) et IMPEx (FP7) ; project scientist du projet IMPEx (FP7).
•
Prix internationaux, 2 destinés aux jeunes chercheurs décernés à A. Rouillard (EGU en 2013 et AAS en 2014), et un
pour «outstanding research in solar-terrestrial sciences » (EGU 2009) décerné à J.-A. Sauvaud.
•
Nombreuses invitations orales (Keynote Goldschmidt, AGU, EGU…), articles de synthèse (Space Science Reviews,
Treaties of Geophysics…) et rôles d’éditeur/éditeur associé aux journaux de premier plan (JGR, GRL, GCA…).
•
Quelques exemples du rayonnement : http://www.irap.omp.eu/en/research/research-groups/gpps-en/gpps-press
___________________________________________________________________________________________
5 faits illustrant les interactions de l’entité avec son environnement socio-économique ou culturel.
•
Collaborations avec les entreprises locales dans le cadre de développements instrumentaux (AMBRE) et de logiciels
(AMDA). Mise à disposition des logiciels auprès de la communauté internationale (AMDA/CDPP/STORMS…).
•
Partenariats industriels avec EDF, St-Gobain et le CEA autour de la thématique des verres et centrales nucléaires,
et deux brevets déposés dans le cadre de la valorisation de ChemCam.
•
Rédaction de bulletins d'information et de synthèse concernant la sismicité locale, diffusés auprès des services de
sécurité civile et des collectivités locales et territoriales (élaboration de plans de prévention des risques).
•
Contribution significative à la conception des expositions permanente et temporaire de la Cité de l’Espace.
•
Plus de 120 interventions auprès des publics non-spécialisés partout en Europe, y compris audiovisuel (ChemCam).
___________________________________________________________________________________________
Principales contributions à des actions de formation
•
Responsabilité d’une Licence (REOTE) et d’un Master Pro (TSI) de l’Université Toulouse III. Responsabilité de
nombreuses unités d’enseignement dans les mentions « Sciences de la Terre » et « Astrophysique ».
•
Initiation d’un projet de réalisation d’une maquette du rover Curiosity par des étudiants de BTS de Midi-Pyrénées.
•
Démonstration au public et aux scolaires du simulateur d’aurores polaires (la planeterrella) qui permet de voir des
émissions lumineuses et d’illustrer les relations Soleil-Terre.
•
Participation au programme interministériel « Sismo à l'école »
•
Participation à la formation continue des professeurs de collège et lycée.
Vague A : campagne d’évaluation 2014 – 2015
janvier 2014
Section des unités de recherche
2.2 Groupe GPPS : Geophysique Planétaire et Plasmas Spatiaux,
Liste des contributeurs au bilan du groupe GPPS
Chercheurs et enseignants-chercheurs: M.J. Toplis (DR 18, responsable) - P.L. Blelly (DR 17, adjoint) - P.
Pinet (DR 18) - G Berger (DR 18) - S. Chevrot (DR 18) - S. Chevrel (AA) - M. Monnereau (CR 18) - A. Rigo*
(CR 18) - M. Calvet (PhA) – M. Sylvander. (PhA.) - F. Béjina (CR 18) - M. Bystricky (MCF 35) – L. Margerin°
(CR 18) - H. Samuel° (CR 18) – G. Quitté° (CR 18) - S. Fabre§ (PRAG) - A. Souriaue (DR 18) – A. Corgne°#
(CR 18) – R. Garcia*#§ (MCF 35) - M. Rabinowicz* (PR 35) – D. Baratoux* (MCF 35) - S. Maurice (A) – C.L.
d'Uston (DR 17) - O. Forni (DR 17) - O. Gasnault (CR 17) – J. Lasue° (AA) – P.Y. Meslin° (MCF 34) - J.A.
Sauvaud e (DR 17) - P. Louarn (DR 17) – A. Tour e (DR 17) - I. Dandouras (DR 17) - C. Mazelle (DR 17) - B.
Lavraud (CR 17) – A. Rouillard° (CR 17) - N. André (CR 17) – J.P. Roques (DR 17) – E. Jourdain (CR 17) – M.
Blanc (A) – C. Jacquey (A) – V. Genot (AA) – D. Toublanc (PR 34) - C Peymirat (PR 34) – F. Forme (PR 34) –
H. Rèmee (PR 34) – P. Garnier (MCF 34) – G. Fruit (MCF 34) – A. Marchaudon° (CR 17) – F. Pitout° (AA).
Rattachement secondaire : R. Belmont (MDC 34) – J. Malzac (CR 17)
ITAs : M. Gangloff (IR) – M. Bouchemit (IE) – E. Penou (IR) – C. Feugeade° (CDI IE CNRS) – Y. Daydou
(IR) – B. Houret° (IE) – C. Aoustin (IR) – A. Fedorov (IR) – E. Le Comte (AI) – Q.M. Lee (AI) – H.C. Seran
(IR) – C. Amoros (IR) – G. Orttner° (IR) – R. Mathon° (IR) – J. Landé* (IE) – P. Devoto (IR) – O. Chassela (IE)
– G. Roudil (IE) – N. Baby (IR) – E. Pallier (IE) – Y. Parot° (IR) – Th. Camus (AI) – P. Ramon (IE) – O. CoeurJoly (IR) – G. Rouaix (IR) – N. Briat (AJT) – B. Bertrand (IE) – L. Bouchet (IR) – S. Benahmed (AI) – F.
Grimaud (T) – A. Cros* (IR) – J.J. Thocaven* (IR) – C. Rosemberg* (IE) – N. Dalla-Riva* (T) – L. Léal (AJT)
– D. Roma (T) – C Gaiti (AJT) – L. Jahan (IE) – J Rouzaud* (IE) – A. Biegun (CDD) - D. Murat (CDD) - G.
Terrier (CDD) - G. Aine (CDD) - H. Pauchet (CDD) - J. Rubiella (CDD) - J. Rudmann (CDD) - K. Wong
(CDD) - M. Chabane (CDD) - M. Bassas (CDD) - N. Bourrel (prestataire) - O. Ncho (CDD) - P. Rouger (CDD)
- R. Baruah (CDD) - V. Kunkel (CDD) - Y. Cao (CDD) Post-Doctorants : N. Fuji (2008-2011) – A. Opitz (2008-2014) – S. Grimald (2009-2012) - O. Gutynska (20102012) - P. Kajdic (2011-2012) - V. Kunkel (2010-2012) - A. Lynnyk (2010-2012) - L. Lerenzato (2012-2013) –
V. Monteiller (2012-2014) – T. Theunissen (2012-2013) – S. Schroeder (2013-2014) – J. Amaya (2011-2012) –
M. Burke (2013-2014) – N. Sartore (2013-2014) - N. Aunai (2013-2014) – C. Tao (2013-2014).
Doctorants : C. Cai (2007-2010) - J. Guignard (2008-2011) – T. Lopez (2008-2011) – N. Michel (2008-2011) –
A. Montiero (2008-2011) – A. Cousin (2009-2012) – R. Allioux (2009-2012) - A. Souchon (2009-2012) - L.
Palin (2009-2012) - L. Schardong (2009-2012) – A. Cadu (2010-2013) - A. Ruffenach (2010-2013) – Z. Wang
(2010-2013) – S. Guillemant (2010-2014) – I. Mateu (2011-2014) – F. Ayoub (2011-2014) – A. Beth (20112014) – H. Mizzon (2011-2014) – L. Million-Picaillon (2011-2014) – T. Breton (2011-2014) – A. Kotova (20122015) – A. Proietti (2012-2015) – D. Sarria (2012-2015) – N. Tercé (2012-2015) – E. Boué (2012-2015) – M.
Grandin (2013-2016) – L. Shan (2013-2016) - J. Mayor (2013-2016) – W. Rapin (2013-2016) – Y. Wang (20132016)
° arrivée au cours de la période de référence ; * départ au cours de la période de référence ; e émérite ; § chercheur
associé ; # en détachement.
2.2.1
Généralités et physionomie du groupe.
Au cours de la période 2009-2014, plus de 300 personnes (chercheurs, stagiaires, thésards, postdocs, ITA, CDD, prestataires) ont travaillé dans le domaine ‘Géophysique Planétaire et Plasmas
Spatiaux’ (GPPS), d’abord dans trois des laboratoires qui existaient lors du contrat précédent 3, puis au
sein de l’IRAP depuis 2011. Nos principaux objectifs scientifiques sont de mieux comprendre
l’origine des corps planétaires, leur évolution au cours du temps, et leurs interactions avec le milieu
interplanétaire. Pour ce faire, nous étudions les planètes, lunes et petits corps du système solaire, avec
un accent particulier sur les environnements ionisés et neutres d’une part et sur la partie solide des
corps rocheux d’autre part. Une des particularités du groupe est d'associer des chercheurs dont la
culture est ‘astrophysique’ (astronomes du CNAP et chercheurs des sections 17 du CNRS et 34 du
CNU) avec des chercheurs en provenance des sciences de la Terre (physiciens du CNAP, sections 18
du CNRS et 35 du CNU), une association unique dans le paysage de la recherche française.
3
UMR 5562 Dynamique Terrestre et Planétaire ; UMR 5563, Laboratoire des Mécanismes et Transferts en Géologie ; UMR
5187, Centre d’Etude Spatiale des Rayonnements
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
40
Section des unités de recherche
2.2.2
Organisation du groupe.
Le groupe couvre un large champ disciplinaire et ses membres proviennent de cultures diverses.
Dans ce contexte, une newsletter hebdomadaire a été mise en place afin de créer un lieu pour
communiquer les informations d’ordre administratif et de parler de l’actualité des équipes scientifiques
et techniques (publications récentes, livraison d’instrument, arrivées/départs, etc.). En parallèle, une
série d’animations scientifiques régulières a été organisée. Ces efforts ont garanti un minimum
d’échanges entre membres du groupe, même si de nombreuses améliorations restent possibles, par
exemple la création/renforcement des lieux d’échanges à une échelle intermédiaire entre celle des
projets et celle des groupes métiers du laboratoire, afin d’intégrer au mieux les ITAs dans la vie
quotidienne du groupe. Sur le plan scientifique, nous avons tenté de favoriser les échanges transverses
au sein de l’équipe, mais les séminaires restaient typiquement orientés autour des environnements
planétaires d’une part et les surfaces et intérieurs d’autre part. A ce propos, certaines activités en Terre
solide ont manqué de visibilité à l’extérieur du laboratoire et nous nous employons à remédier à cette
difficulté. Par ailleurs, les perspectives d’embauche et de promotion des enseignants-chercheurs, en
particulier en 35° section, a été un autre point sensible, rendu difficile par le contexte de pénurie, mais
favorisé par le rôle accru de l’OMP (en tant que pôle de recherche UPEE de l’UPS) dans le processus
de définition des postes.
En résumé, la mise en place du groupe a été et reste un processus itératif, nécessitant une
certaine souplesse. Par exemple, après différentes tentatives, nous avons convergé vers une
organisation interne simplifiée par rapport au projet initial, avec trois plutôt que six ‘sous-thèmes’ (lire
les sections 2.2.4, 2.2.5 et 2.2.6 ci dessous).
2.2.3
Faits marquants et points forts.
Quelques événements clefs ont marqué la vie du groupe depuis 2009, en particulier l’arrivée du
rover Curiosity à la surface de Mars en Août 2012. Ce rover de la NASA, le plus grand jamais envoyé
sur Mars, a à son bord ChemCam, instrument conçu et réalisé à Toulouse grâce à la participation d’un
grand nombre de scientifiques et d’ingénieurs de l’équipe. Cet atterrissage n’était que le début d’une
grande aventure qui se poursuit avec intensité, à travers une implication quotidienne aux opérations du
rover. Un autre temps fort du quinquennal a été la sélection de Solar Orbiter, première mission de
classe M du programme Cosmic Vision de l’ESA. Le groupe a la responsabilité de la fourniture d’un
des instruments clefs de la mission, une réalisation qui mobilise largement le personnel scientifique et
technique du groupe. Sur le plan scientifique, le groupe a proposé et mené d’importants
déploiements de réseaux sismiques permanents (SISPyr-Interreg) et temporaires (PYROPE-ANR),
contribuant à l’effort international de disposer de données géophysiques issues de réseaux denses. Par
ailleurs, l’émergence d’une expertise ‘héliosphère interne’ au sein du groupe est à noter, renforcée
par le recrutement d’A. Rouillard en 2012, stimulée par le succès du projet Européen (FP7)
HELCATS et honorée par deux prix internationaux destinés aux jeunes chercheurs (EGU et IAU).
Au delà de leur implication à un grand nombre de projets à haute visibilité internationale (y
compris un GRDI avec la Russie et un LIA avec le Taiwan), les membres du groupe GPPS sont aussi
activement investis dans l'animation de la recherche, notamment à travers le réseau EUROPLANET,
les groupes de travail du CNES et de l’ESA, les sections du CNRS et du CNU et en tant qu'éditeurs de
journaux scientifiques de premier plan (JGR, GRL, GCA, etc.). C'est aussi un groupe en prise avec le
monde socio-économique, à la fois dans le cadre des services d'observation labellisés par INSU et par
les liens qu'il entretient avec des partenaires industriels.
En termes de production scientifique les membres du groupe ont participé à ~700 publications de
la littérature internationale pendant la période 2009-2014, dont 13 dans les revues Nature et Science.
Cette vitalité de publication concerne à la fois les missions spatiales, et les travaux de terrain, de
laboratoire et de modélisation. Il va sans dire qu’il n’est pas possible de présenter l’ensemble de ces
travaux ici, ces quelques pages illustrant nos principaux domaines d’activité et quelques résultats
saillants obtenus pendant la période de référence.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
41
Section des unités de recherche
2.2.4
Structures et dynamiques internes
L’étude de la structure et dynamique interne de la Terre et des planètes était au centre des
activités du laboratoire DTP, travaux qui se sont poursuivis à l’IRAP, renforcés par le
recrutement de deux nouveaux CR-CNRS en 2010 et 2012. En quelques mots, ces travaux
concernent les observations sismologiques, les simulations numériques de la convection à grande
échelle, et les mesures expérimentales de paramètres physico-chimiques. Même si des efforts
importants ont été déployés pour obtenir des données sur d’autres corps, la planète Terre reste
une référence importante grâce à la possibilité d’associer l’ensemble des approches sur un même
objet. Ces études ont bénéficié de plusieurs financements par l’ANR et elles ont impliqué une
cinquantaine de stagiaires, 12 thésards/post-docs et 3 visiteurs de longue durée (>2 mois).
2.2.4.1 Développements théoriques et méthodologiques
a) Imagerie de l’intérieur de la Terre : Dans la continuité des travaux antérieurs, nous avons
poursuivi nos efforts de développement de nouvelles méthodes d'analyse des données sismologiques et
d'imagerie haute résolution. En détail, nos travaux récents concernent le développement de méthodes
de calcul rapide de noyaux de sensibilité 3D par sommation de modes (Fuji et al., 2012), et des
méthodes d’inversion de forme d'onde reposant sur une méthode hybride Direct Solution
Method/Eléments spectraux (Monteiller et al., 2013). Ces méthodes ouvrent des perspectives
nouvelles pour l’imagerie haute résolution de l’intérieur de la Terre, de la croûte à la base du manteau.
La méthode d'inversion de formes d'ondes est testée sur les données des profils denses transpyrénéens
acquises dans le cadre du projet PYROPE (voir section 2.2.4.2c).
b) Diffusion multiple, coda et variations temporelles dans des milieux hétérogènes : Nous avons
travaillé sur le développement de méthodes, essentiellement théoriques et numériques, visant à étendre
la palette des outils du sismologue en mettant en avant le transfert radiatif et plus généralement la
diffusion multiple. Plusieurs codes numériques originaux ont été développés, permettant de modéliser
les couplages de polarisation en régime de diffusion multiple (Margerin, 2013), de quantifier la
partition d'énergie dans la coda sismique en milieu stratifié (Margerin, 2009) ou encore de calculer
l'effet d'une perturbation sur la forme d'onde de la coda (Mayor et al., 2014). Ces résultats ont permis
de mieux comprendre les effets de site, de mieux quantifier l'hétérogénéité de petite échelle dans la
Terre et ont permis de proposer de nouveaux modèles dynamiques pour la graine (Monnereau et al.,
2010), qui ont eu un impact au-delà de la sismologie (voir section 2.2.4.2a).
c) Résolution d’équations aux dérivées partielles : Nous avons développé des méthodes
généralistes pour la résolution d'équations aux dérivées partielles ainsi que pour leur parallélisation,
permettant des gains d'efficacité et de précision. L’accent a été mis sur les problèmes récurrents de
suivi d’interfaces par des méthodes Eulériennes et hybrides Eulériennes-Lagrangiennes (Samuel &
Evonuk, 2010; Samuel, 2014). Par ailleurs, une méthode de parallélisation dans le domaine temporel a
été développée pour la première fois et appliquée à des contextes géodynamiques (Samuel, 2012b).
2.2.4.2 Structure et évolution de la Terre profonde
a) Le noyau: Le noyau terrestre a mobilisé l’équipe au cours des cinq dernières années,
notamment à travers l’étude des propriétés sismiques du noyau interne, en particulier sa structure
hémisphérique en vitesse et atténuation. Grâce à la modélisation de la diffusion des ondes dans des
agrégats polycristallins (Calvet et Margerin, 2012), nous avons interprété cette structure en termes de
variation de la taille des grains de fer entre les deux hémisphères. Nous avons proposé que cette
hémisphéricité texturale soit induite par un mode de convection particulier de la graine: une translation
vers l'est (Figure 5). Cette idée novatrice a été publiée dans Science (Monnereau et al., 2010) et a
inspiré un grand nombre d’équipes à travers le monde. Suite à cette publication nous avons cherché à
mieux comprendre les modes de convection du noyau interne (Mizzon & Monnereau, 2013). Par
ailleurs, un article de synthèse sur la structure sismologique du noyau a été rédigé pour le Treatise on
Geophysics. (Souriau et al., 2014).
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
42
Section des unités de recherche
Figure 5 : Mode de translation de la graine. Les temps de propagation dans la partie supérieure de la graine présentent des
variations hémisphériques (A), ainsi que l'atténuation. En terme de scattering, ces propriétés traduisent des tailles de
grains différentes dans les deux hémisphères et suggèrent une maturation des grains associée à la translation de l'Ouest
vers l'Est (C) (Monnereau et al., 2010).
b) Le manteau: Nos travaux sur le manteau terrestre concernent la structure, la rhéologie et
l’évolution thermique et chimique. En termes de structure, les efforts d'imagerie à haute résolution se
sont d’abord focalisés sur le manteau inférieur et la couche D", à travers la mise en place de méthodes
originales de traitement des données d'ondes diffractées à la limite noyau-manteau (Garcia et al., 2009,
Komatitsch et al., 2010). Ensuite, une base de données globale de formes d'ondes sismologiques a été
construite et un algorithme de recuit simulé développé (Garcia et al., 2013). Les temps de propagation
des principales phases sismiques ont été mesurés dans différentes bandes de fréquences, offrant la
possibilité de tirer parti de l’analyse des noyaux de sensibilité 3D (e.g. Fuji et al., 2012) pour
l'obtention de modèles tomographiques globaux à haute résolution.
La rhéologie du manteau supérieur a fait l’objet d’études dans le cadre du projet RHUM
(RHeology of the Upper Mantle) financé par l’ANR. Les travaux réalisés concernent des expériences
de déformation d’agrégats minéraux à haute-pression (< 12 GPa) – haute-température dans une presse
type D-DIA placée sur une ligne de lumière du synchrotron NSLS au Brookhaven National
Laboratory (États-Unis). Ces expériences novatrices mais difficiles offrent la possibilité de suivre insitu la déformation des minéraux et de mesurer ainsi les lois rhéologiques. Nous avons réalisé nos
premières mesures sur des échantillons de forstérite (Fo), MgO, enstatite (En), et biphasés Fo-MgO et
Fo-En, (en cours de publication), résultats qui servent de base pour appréhender les expériences
d’échantillons contenant du fer, sujet qui fait l’objet d’une thèse en cours. Par ailleurs, nous avons
développé un protocole de synthèse d’agrégats polycristallins faisant appel au frittage-flash (Spark
Plasma Sintering), offrant la possibilité d’obtenir des échantillons de grande qualité (en terme de
densité, microstructure et chimie) sur une grande variété de compositions chimiques et minéralogiques
(Béjina et Bystricky, 2009 ; Guignard et al., 2011). Ces efforts de synthèse nous ont permis de
démarrer une étude sur l'influence du fer sur l’élasticité et la diffusion atomique au sein des principaux
minéraux des manteaux planétaires, grâce à un financement de thèse obtenu dans le cadre d’un appel
d’offre compétitif de l’université Paul Sabatier. Les résultats préliminaires indiquent que les propriétés
élastiques des solides sont très sensibles aux contraintes, et celles-ci peuvent être à l’origine de
disparités dans les résultats obtenus par différentes équipes dans la littérature.
Concernant l’évolution chimique du manteau, nous avons participé à des travaux expérimentaux
concernant la stabilité des carbonates à très haute pression (Boulard et al., 2010, 2011) et mené un
travail sur la quantification des coefficients de partage entre grenat de haute pression (majorite) et
silicate fondu (Corgne et al., 2012). Divers travaux de modélisation numérique ont aussi été réalisés
pour mieux comprendre l’évolution thermique et chimique du manteau. Ces travaux concernent des
mécanismes prenant place à la fois dans le manteau très profond sur l’exemple de l'influence de la
post-pérovskite (Monnereau & Yuen, 2010 ; Samuel & Tosi, 2012), ainsi que, à faible profondeur, les
effets combinés des plaques tectoniques continentales et océaniques et de la convection sublithosphérique associée (Samuel et al., 2011 ; Rabinowicz et al., 2012 ; Samuel & King, 2014).
c) La croûte: Notre intérêt pour la croûte terrestre s’est focalisé sur le cas spécifique des
Pyrénées, en particulier dans le cadre de deux projets de grande envergure (SISPyr et PYROPE). Ces
projets ont fortement mobilisé l'équipe au cours du quinquennal, en particulier au niveau de
l'instrumentation de terrain. Le projet Interreg SISPyr (Système d'Information Sismique des Pyrénées)
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
43
Section des unités de recherche
concernait la mise en place d’un système de surveillance transfrontalier permanent sur toute la chaîne
des Pyrénées (France-Espagne-Andorre) en collaboration avec les organismes institutionnels
espagnols. PYROPE (PYRénées Observational Portable Experiment) était une expérience temporaire,
financée par l’ANR, constituée d’un réseau dense d'une cinquantaine de stations sismiques largebande dans le sud-ouest de la France et en Bretagne, complété par le déploiement simultané d'une
centaine de stations au sud des Pyrénées par les Espagnols. Ces efforts ont été appuyés par la
modernisation des réseaux sismologiques permanents, le développement du réseau GPS permanent, et
la remesure de la grille GPS pyrénéenne.
Les données acquises ont été valorisées par plusieurs publications sur la structure et la sismicité
des Pyrénées (Chevrot et al., 2011 ; Souriau et al., 2014), et sur le régime de déformation, avec des
applications au risque sismique (Souriau et al., 2011). Par exemple, l'analyse de 30 ans de bulletins
sismologiques et la modélisation des formes d'ondes a permis de préciser le régime de contrainte
actuel des Pyrénées (extension Nord-Sud de la chaîne), alors que la re-mesure des réseaux GPS
RESPYR et POTSIS, installés depuis près de 15 ans, a conduit à l'élaboration d'un modèle numérique
de la déformation verticale reposant sur l’idée que l’érosion est à l’origine du soulèvement par
isostasie. Par ailleurs, l’analyse de la coda sismique a permis de mettre en évidence de fortes variations
latérales de l'atténuation sismique dans la croûte pyrénéenne, et de préciser les contributions relatives
de l'absorption et de la diffusion (Figure 6a) (Calvet et al., 2013). D’autre part, le nouveau modèle
tomographique de la lithosphère pyrénéenne obtenu grâce à l'expérience PYROPE montre clairement
la segmentation des structures lithosphériques et l'empreinte de l'héritage sur les structures actuelles
(Figure 6b) (Chevrot et al., 2014). L’ensemble de ces données acquises sur les profils transpyrénéens
montre une subduction continentale de la lithosphère ibérique sous la plaque européenne, remettant en
question le rôle majeur de la faille transformante nord-pyrénéenne dans la formation de la chaine. En
dehors des Pyrénées, la faille de San Andréas et la structure de la lithosphère californienne a aussi fait
l’objet de plusieurs publications (Monteiller et Chevrot, 2010,2011 ; Bonnin et al., 2012).
Figure 6 : à gauche: Tomographie du manteau sous les Pyrénées par les ondes P, à la profondeur 125-150 km, obtenue grâce
aux données PYROPE (Chevrot et al., 2014); à droite: Atténuation dans la croûte pyrénéenne, variations latérales du facteur
de qualité Qc dans la gamme de fréquence 4-8 Hz (Calvet et al., 2013). Ces deux figures montrent les fortes variations de
structure entre l'Est et l'Ouest, invalidant l'image d'une chaîne à symétrie cylindrique.
2.2.4.3 Structure et évolution interne des corps rocheux du système solaire
a) Ségrégation métal-silicate et conséquences géochimiques : Nos activités sur la question de la
ségrégation métal-silicate ont connu un renforcement considérable depuis 2009, grâce à l’arrivée dans
l’équipe de trois chercheurs CNRS et deux thésards qui ont travaillé sur ce thème.
Premièrement, nous nous sommes intéressés aux premières étapes de la fusion de mélanges
hétérogènes de métal et silicate sur les petits corps formés avant l'accrétion de la Terre (planétisimaux
et proto-planètes). Ce travail a associé la caractérisation de météorites, témoins directs du processus de
ségrégation métal-silicate sur les corps de petite taille (Guignard & Toplis, soumis ; Breton et al.,
soumis), des expériences au laboratoire dans les conditions de température et de fugacité d'oxygène
contrôlées (Guignard et al., 2012), et les résultats de modélisation de l’évolution thermique à
l’intérieur de corps chauffé par désintégration radioactive d’Al26 (Monnereau et al., 2013). Dans le cas
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
44
Section des unités de recherche
des chondrites de type-H, une remarquable cohérence émerge entre la variabilité de taille des grains de
métal observée et celle calculée en combinant les lois de croissance de grains déterminées en
laboratoire et les évolutions thermiques prédites par les modélisations.
Deuxièmement, nous avons étudié les équilibres chimiques entre métal et silicate à haute
température, car les concentrations en éléments modérément sidérophiles et les compositions
isotopiques des métaux et des silicates apportent de précieuses informations sur la chronologie de la
différenciation et la variabilité des conditions au cours de l’accrétion planétaire (pression, température,
fugacité d’oxygène, etc.). Nous avons abordé cette question à la fois grâce à la participation aux
expériences de partage élémentaire et isotopique en laboratoire (Siebert et al., 2011 ; Ricolleau et al.,
2011, Zambardi et al., 2013), mais aussi à travers la modélisation du comportement du métal et sa
rééquilibration chimique et thermique avec les silicates lors des phases d’accrétion et de
différenciation planétaires (Samuel et al., 2010; Samuel, 2012a ; Morishima et al., 2013).
b) Structures internes de corps primitifs et différenciés : La possibilité d’imager la structure
interne d’autres corps que la Terre est un grand défi scientifique, qui reste largement inachevé à
l’heure actuelle. Sur un très petit corps comme un noyau cométaire, un sondeur radiofréquence peutêtre utilisé pour faire de la tomographie de la structure interne, mais des travaux dans le cadre de la
mission Rosetta montrent les difficultés et les limites de cette approche (Hérique et al., 2012). Sur les
corps plus grands, le champs de gravité peut indiquer la nature différenciée ou pas de l’objet en
question. Cette approche a été utilisée avec succès grâce aux données de la sonde Dawn pour
démontrer que l’astéroïde Vesta a bien un noyau métallique (Russell et al., 2012 ; Park et al., 2014).
Sur les objets planétaires plus grands, seule la sismologie permet une vision détaillée de la
structure interne. Dans ce cadre, les données sismologiques des missions Apollo ont été réexaminées
afin de déterminer un nouveau modèle radial de la Lune. Cette analyse a permis, en particulier, de
préciser le rayon du noyau lunaire dans un modèle ajustant la totalité des données géophysiques et
géodésiques disponibles (Garcia et al., 2011). Ces efforts se plaçaient dans le contexte de projets
visant à déployer un réseau de sismomètres large bande à la surface de la Lune (Yamada et al., 2011 ;
Mimoun et al., 2012), qui malheureusement n’ont pas été sélectionnés par les agences spatiales pour le
moment. Par contre, en 2012 la NASA a sélectionné INSIGHT, une mission qui posera le premier
sismomètre à la surface de Mars, offrant ainsi de belles perspectives à la sismologie planétaire.
L’équipe GPPS a participé à ces efforts à travers une contribution à la réalisation et l’étalonnage d’un
support mécanique de l’instrument SEIS, sismomètre large bande développé par le CNES et l'IPGP.
c) Mouvements internes et fusion partielle: Sur un objet planétaire, les grands mouvements
internes et/ou les sources de chaleur radioactives peuvent affecter le fonctionnement d’une dynamo
d’une part et provoquer la fusion partielle d’autre part. Par exemple, pour le cas de Mars, nous avons
montré comment les changements de phase dans le manteau influencent la convection de ce dernier,
contribuant à la génération d’une dynamo active (ou pas) au cours des temps géologiques (Michel &
Forni, 2011). En ce qui concerne la fusion partielle, l’équipe a effectué des travaux originaux, liant le
fonctionnement interne aux caractéristiques chimiques et minéralogiques de la surface. Le travail le
plus remarqué dans ce domaine concerne Mars où nous avons utilisé la géochimie des laves de surface
(voir aussi section 2.2.5.2) et la modélisation thermodynamique de la fusion partielle afin de remonter
aux conditions de pression et température de la fusion (El Maarry et al., 2009). En comparant les
régions volcaniques d’âges différents nous avons mis en évidence l’épaississement de la lithosphère et
le refroidissement du manteau au cours du temps, un résultat publié dans Nature (Baratoux et al.,
2011). Par ailleurs, cette approche a été appliquée avec succès aux cas de Mercure (Malavergne et al.,
2010) et de l’astéroïde Vesta (Toplis et al., 2013), illustrant le lien entre les dynamiques internes et les
caractéristiques de surface, qui seront exposés en détail dans la section suivante.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
45
Section des unités de recherche
2.2.5
Surfaces planétaires
L’étude des surfaces planétaires était largement le fil conducteur des travaux réalisés en 20092010 dans le cadre du « Pôle de planétologie de l’OMP » (structure trans-laboratoire de
l’observatoire) puis à l’IRAP depuis 2011. Avec le succès des missions européennes et
américaines au cours des années 2000 (Mars Express (HRSC/OMEGA), MER
(PANCAM/APXS), MRO (CRISM), Mars Odyssey (GRS)…), puis l’arrivée de Curiosity en
2012, la planète Mars occupe une très grande place dans les travaux réalisés, bien que la Lune,
Mercure et les astéroïdes aient également fait l‘objet de nombreuses études. Ces activités ont été
renforcées par l’arrivée d’un maitre de conférences et d’un astronome adjoint recrutés
respectivement en 2010 et 2012. Ces études ont bénéficié d’un fort soutien du CNES et elles ont
impliqué une cinquantaine de stagiaires, 6 thésards/post-docs et 5 visiteurs de longue durée (>2
mois).
2.2.5.1 Développements théoriques et méthodologiques
a) Traitement de données avec des outils statistiques: Les missions spatiales auxquelles l’équipe
participe génèrent de très grandes quantités de données, dont le traitement nécessite l’emploi de
méthodes statistiques explorant de façon globale et rapide la variabilité des mesures. Nos efforts dans
ce domaine ont porté sur les méthodes de séparation de sources (Principal Component Analysis,
Independent Component Analysis, Non-Negative Matrix Factorization, Carte de Sammon, Mélanges
Linéaires Itératifs) destinées à identifier les composantes indépendantes ou non, porteuses de
l’information discriminante. Ces méthodes ont été appliquées avec succès aux spectres gamma gamma
et aux observation multispectrales de la Lune (Kaguya, Lunar Prospector, Clementine ; Chevrel et al.,
2009 ; Gasnault et al., 2010) et sur les spectres gamma de la mission Dawn (thèse H. Mizzon, en
cours). Ces méthodes ont également été validées sur les spectres LIBS dans un but de classification
(Forni et al., 2013 ; Lasue et al., 2011), constituant un outil puissant pour l’interprétation des données
de l’instrument ChemCam (e.g. Meslin et al. 2013; Gasnault et al., 2013 ; Cousin et al., 2014).
b) Spectroscopie LIBS : Dans le cadre de la calibration et caractérisation de l’instrument
ChemCam (Maurice et al., 2012 ; Wiens et al., 2012), un effort essentiel fut la constitution d’une base
de données de raies spectrales de référence en ambiance martienne (thèse Cousin). Ce travail a été
réalisé grâce à une chambre dédiée construite à l’IRAP, utilisant le modèle de qualification de
l’instrument ChemCam (Cousin et al., 2011), équipement unique en France et ouvert aux équipes
extérieures travaillant sur les données ChemCam. Depuis 2011, l’installation sol a été constamment
améliorée pour aider à l’interprétation des mesures effectuées sur Mars. On notera en particulier
l’étude de l’interaction laser-régolite en fonction de la taille des grains (Rapin, stage M2), la
quantification de l’abondance d’hydrogène des sols et roches martiennes (thèse Rapin et PostDoc
Schröder), l’étude de composés riches en sulfates ou en phosphates (thèse Nachon à Nantes) et l’étude
de faisabilité de la détection de matière organique (thèse Dequaire à Paris).
c) Spectro-photométrie : Dans le but de mieux comprendre les données de spectro-imagerie dans
le visible-proche infrarouge, nous avons poursuivi nos efforts théoriques et expérimentaux concernant
les interactions lumière-matière. Les travaux réalisés depuis 2009 (thèse Souchon) concernent les
effets de l'organisation physique de la surface sur la réflectance (la taille, la forme, et l’état de surface
des grains, leur organisation spatiale: mélanges, texture, pentes locales) et l’influence des conditions
angulaires d'observation (Souchon et al., 2011). En particulier, nous avons optimisé les géométries
d’observation depuis l’orbite pour établir au mieux les propriétés photométriques. En parallèle, des
études de terrain menées en Islande ont démontré le rôle crucial que pouvait jouer le vent sur le tri en
taille des minéraux, avec des implications sensibles sur les prédictions minéralogiques (Mangold et
al., 2011; Baratoux et al., 2011). Par ailleurs, nous avons fortement progressé sur les méthodes de
déconvolution hyperspectrale non linéaire (MGM) portant sur les proportions d’olivine et de
pyroxènes, validées en laboratoire et appliquées par télédétection hyperspectrale sur l’ophiolite
d’Oman et sur Mars (Clénet et al., 2010 ; 2011 ; 2013). Un dernier axe de travail concerne la
séparation des contributions photométriques issues de l’atmosphère et de la surface de Mars (grâce
aux données MEx-HRSC et MRO-CRISM), travail initié en 2011 (Fernando, stage M2), poursuivi en
collaboration avec les laboratoires IDES et IPAG (Ceamanos et al., 2013 ; Fernando et al., 2013).
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
46
Section des unités de recherche
2.2.5.2 Histoire géologique de Mars
Les membres de l’équipe ont contribué très activement à l’effort international d’exploration
martienne, à travers la participation à un grand nombre des missions spatiales récentes. Nous avons
organisé un workshop international à ce sujet à l’ISSI de Bern en 2011 (sous les auspices du réseau
Europlanet), édité le livre associé (« Quantifying the Martian geochemical reservoirs ») et contribué
largement aux différents chapitres (Grott et al., 2013; Ehlmann et al., 2013; Niles et al., 2013; Gaillard
et al., 2013 ; Lasue et al., 2013). Plus récemment, nous nous sommes naturellement focalisés sur le
cratère Gale via la mission MSL. Deux thématiques principales se dégagent de nos travaux:
a) Magmatisme : Grâce aux nombreux instruments embarqués, nous savons que la surface de
Mars est un monde dominé par des roches basaltiques, enregistrant une histoire magmatique longue de
4 milliards d’années (Grott et al., 2013). Dans ce domaine, l’équipe a participé à la définition d’unités
géochimiques à l’échelle globale (Taylor et al., 2010 ; Gasnault et al., 2010), affiné notre
compréhension de régions magmatiques d’intérêt particulier (par ex. le volcan bouclier Syrtis Major :
Clénet et al., 2013 ; la région d’Elysium : Diez et al., 2009 ; le dôme de Tharsis : ElMaarry et al.,
2010), et montré que les phénomènes de différenciation magmatique sont présents, mais limités
(Michaut et al., 2013). Plus particulièrement, nous avons proposé une interprétation intégrant
l’ensemble des observations dans un scénario d’évolution thermique du manteau martien caractérisé
par un taux de refroidissement voisin de 30 K par milliard d’années (Baratoux et al., 2011 ; 2013). Ce
taux, nettement plus faible que celui admis pour la Terre, est compatible avec l’idée d’un ‘couvercle
lithosphérique’, cohérent avec l’absence de tectonique des plaques sur Mars.
En complément de ces travaux à grande échelle, nous nous sommes également intéressés à la
morphologie des coulées de laves (Vaucher et al. 2009a, b) et à la forme des volcans boucliers
(Baratoux et al., 2009) dans le but de préciser la rhéologie, et par extension la composition, des laves.
Ces études préliminaires suggéraient la présence de laves extrêmement fluides et récentes sur les
Planitia d’Elysium Central, une observation qui pose la question de l’origine et de la spécificité du
magmatisme récent sur Mars. Ces résultats ont inspiré un sujet de thèse en co-tutelle entre Toulouse et
Munich qui avait pour but d’évaluer la validité des approches morphologiques pour discuter la
rhéologie des laves. Ce travail couplant des études de terrain en Islande à une analyse en laboratoire de
la rhéologie des échantillons (Chevrel et al., 2013) suggère que la diversité rhéologique des magmas
martiens soit compatible avec la présence de basaltes issus de degrés de fusion du manteau plus ou
moins élevés, sans invoquer la présence de coulées andésitiques (Chevrel et al., 2014).
A l’échelle de l’affleurement géologique, le sondage submillimétrique de ChemCam et le grand
nombre de cibles examinées permettent un regard inédit sur la minéralogie et la pétrologie des roches
à la surface de Mars. Les premiers résultats ont déjà permis de mettre en évidence trois familles de
roches magmatiques dans le cratère de Gale : mafiques, felsiques et riches en fer. Le pôle felsique est
d’un grand intérêt car il est très abondant à Gale et diffère des autres sites d’atterrissage (Sautter et al.,
2014). De plus, pour la première fois sur Mars, notre équipe a détecté du fluor qui est un indicateur
d’une grande diversité de magmatisme (Forni et al., 2014). L’ensemble des résultats obtenus indique
clairement que le magmatisme martien est bien plus complexe qu’on ne le pensait précédemment,
avec le possible présence de magmas évolués. Ces observations auront de profondes implications pour
notre compréhension de l’évolution magmatique de la planète Mars au cours des années à venir.
b) Interactions surface-hydrosphère et formation de minéraux secondaires: L'interaction des
roches magmatiques avec l’hydrosphère les altère au cours du temps, soit de façon physique, soit de
façon chimique ou minéralogique. Pour une roche donnée ces modifications sont fonction de la chimie
des fluides, les conditions physico-chimiques (T, Eh, pH…) et la durée de l’altération. De cette façon,
les phases secondaires renseignent sur les conditions qui ont régné à la surface à différentes époques,
ouvrant une fenêtre précieuse sur la reconstruction de l’histoire de la planète. Les membres de l’équipe
ont contribué de façon significative à différents aspects de ce problème, en particulier à travers l’étude
de la distribution des fluides à la surface de Mars, la caractérisation de la chimie des phases altérées, et
une compréhension thermocinétique des réactions d’altération.
Premièrement, nous avons cherché à identifier des espèces volatiles et à quantifier leur
distribution dans l'espace et dans le temps (Lasue et al., 2013). Par exemple, l’expertise du groupe
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
47
Section des unités de recherche
dans l’analyse de données de spectrométrie neutron, gamma et alpha, a permis d’apporter de nouvelles
contraintes observationnelles sur les échanges entre le régolithe et l’atmosphère, en établissant une
cartographie affinée des réservoirs d’eau proche de la surface de Mars (Maurice et al., 2011), une carte
de la distribution du Cl (Diez et al., 2009), ainsi qu’une première cartographie de la distribution
atmosphérique du radon (Meslin et al., 2012) et une première estimation du taux de recyclage de la
poussière martienne (Meslin et al., 2014). Par ailleurs, les observations en infrarouge thermique,
associées à un important travail de modélisation numérique de la circulation des fluides dans un milieu
poreux, ont permis de mettre en évidence l’advection de chaleur dans les premières centaines de
mètres de profondeur par des circulations d'air à l'échelle d'un édifice volcanique, sur Mars (Antoine et
al., 2011 ; Lopez et al., 2013), comme sur Terre (Antoine et al., 2009).
Deuxièmement, l’instrument ChemCam contribue de façon spectaculaire à notre connaissance
de la surface de Mars, permettant la caractérisation des différentes composantes physiques de la
surface (affleurement, gravier, sable, poussière). Notre équipe a caractérisé la composition des sols et
de la poussière dans Gale (Meslin et al., 2013), un travail publié dans Science qui montre l’existence
d’une composante mafique, similaire à celle trouvée dans les sols de tous les sites d’atterrissage
précédents, et une composante felsique produite localement. La composante mafique présente une
signature forte d’hydrogène (Schröder et al., abstr 2014) contribuant de façon significative à
l’hydratation globale de la surface observée depuis l’orbite. En ce qui concerne les affleurements,
l’exploration des sédiments fluvio-lacustres dans le bassin de Yellowknife a révélé la présence de
phyllosilicates sous la surface et de sulfates dans des veines (Figure 7 ; Mangold et al., 2014).
L’ensemble de ces observations suggère que l’activité aqueuse s’est prolongée après le Noachien (∼3.5
Gy), dans un environnement « habitable » (pH neutre, faible salinité, oxydoréduction variable) sur des
durées d’au moins quelques centaines de milliers d’années (Grotzinger et al., 2013). D’autres travaux
sont en cours concernant la détection d’éléments mineurs (Mn, Li, halogens) dans le but de mieux
comprendre la durée de l’interaction entre roches et fluides et de préciser les conditions de surface à
des époques lointaines.
Figure 7 : Trou de forage de Curiosity (MSL) à
Yellowknife bay, dans le cratère de Gale. On distingue les
impacts de tirs de laser de ChemCam (série de points noirs
orientée verticalement) et des veines d’un matériau plus clair
(probablement un sulfate).
Troisièmement, notre groupe s'intéresse aux interactions eau-roche à la surface de Mars, d’une
part grâce à la modélisation thermocinétique, et d’autre part à travers des expériences de laboratoire.
Nos premiers travaux ont été inspirés par les observations du rover Opportunity à Meridiani, où il
existe une imposante stratigraphie de roches riches en sulfates. Un travail de modélisation démontre
que les solutions aqueuses étaient particulièrement riches en soufre mais que les durées d’altération
furent très courtes (Berger et al., 2009). Plus récemment, des expériences de laboratoire ont été
menées jusqu’à -18°C avec des solutions sulfuriques et du matériel volcanique considéré comme un
analogue du régolithe martien. Les résultats en cours de publication confirment le rôle fondamental
des échanges de surface, ici avec la palagonite, dans la formation de gypse. Cette réaction est
comparée aux observations martiennes et s’inscrit dans les débats actuels sur l’histoire des sédiments
martiens. Enfin, plus en amont, les argilisations post-magmatiques liées au dégazage des coulées
volcaniques et leur application à Mars sont modélisées à partir d’un cas modèle terrestre (Berger et al.,
2014).
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
48
Section des unités de recherche
2.2.5.3 Histoire géologique de la Lune
L’étude de la Lune a été stimulée grâce à de nombreuses participations aux missions spatiales,
et à la fourniture d’éléments de la charge utile scientifique (spectrométries gamma et fluorescence-X).
Des résultats marquants ont été atteints par l’orbiteur japonais Kaguya qui emportait un spectromètre à
haute résolution en énergie basé sur un cristal de germanium refroidi (Kobayashi et al., 2013). Grâce à
ces données, nous avons défini et caractérisé 5 régions géochimiques (Gasnault et al., 2009), montré
qu’il existe des variations significatives du rapport U/Th sur la face cachée, corrélées avec l’épaisseur
de la croûte (Yamashita et al., 2010; Forni et al., 2010), et mis en évidence que les régions orientales
des mers présentent des abondances de Ca étonnamment élevées (Yamashita et al., 2012). En ce qui
concerne les instruments D-CIXS à bord de SMART-1 et C1XS à bord de l’orbiteur indien
Chandrayaan-1, la faible activité du soleil a limité le nombre d’observations d’émissions X de
fluorescence. Néanmoins, la raie du Ca observée pour la première fois a permis une quantification du
rapport Ca/Al et il a été démontré que les rapports MgO/SiO2 et Al2O3/SiO2 dans la région de Fra
Mauro (site d’atterrissage d’Apollo 14), se situent bien dans la gamme des valeurs des échantillons
récoltés sur place (Grande et al., 2009 ; Crawford et al., 2009 ; Narendranath et al., 2011).
Les progrès réalisés en photométrie planétaire ont aussi été mis à profit dans le cadre de la
modélisation des données multiangulaires acquises par la caméra AMIE de Smart-1. Les principaux
résultats concernent la caractérisation optique des basaltes de mer (Muinonen et al., 2011), des
modifications induites par les petits cratères d’impact (Kaydash et al., 2009) et la mise en évidence de
la présence de matériaux vitreux et pyroclastiques dans le cratère Lavoisier (Souchon et al., 2013), un
travail rendu possible par les études expérimentales et théoriques mentionnées précédemment. De plus,
grâce à une analyse conjointe avec les données hyperspectrales de l’instrument Moon Mineralogy
Mapper nous avons démontré que les différences de propriétés photométriques observées à Lavoisier
sont la conséquence d’une différence d’état physique, et non pas d’ordre compositionnelle (Souchon et
al., 2013). Par ailleurs, nos études photométriques ont contribué à la caractérisation du régolithe
lunaire et à l’identification de zones très localisées de matériaux optiquement très immatures, détectés
sur les pentes et le fond de certains cratères (Shevchenko et al, 2012), probablement causés par des
glissements de terrain déclenchés par des instabilités locales et/ou secousses sismiques.
Un troisième volet d’étude sur la Lune concerne la détection d’impacts de météorites à la
surface grâce à une émission lumineuse. Ces impacts représentent également une source sismique
naturelle qu’il serait intéressant de localiser depuis le sol afin d’améliorer l’inversion de futures
données sismologiques lunaires (Yamada et al., 2011). Nous avons initié un programme d’observation
entre l’Observatoire Midi-Pyrénées, l’Observatoire de Paris et l’Observatoire de l’Oukaimeden
(Maroc), collaboration impliquant d’une manière plus large des recherches sur les cratères d’impact,
les météores et les météorites (Baratoux et al., 2011, Rudawska et al., 2011). Nous avons observé à ce
jour deux impacts, et développé une méthode permettant de localiser un impact avec une précision de
quelques kilomètres (Ait Moulay Larbi, en révision). Enfin, une corrélation entre la magnitude et la
durée des flashs d’impact a été mise en évidence, pouvant s’expliquer par la formation d’un nuage de
gouttelettes de liquide et de gaz plutôt que par une émission du plasma (Bouley et al., 2012).
2.2.5.4 La surface d’autres corps rocheux du système solaire
Les surfaces d’autres corps rocheux du système solaire ont également fait l’objet d’études au
cours des dernières années, en particulier l’astéroïde 4-Vesta (dans le cadre de la mission Dawn) et
Mercure (dans le cadre de la mission Messenger). Les travaux sur Vesta ont confirmé que Vesta est
bien le corps parent des météorites HED (publications dans Science de DeSanctis et al., 2012 ;
Prettyman et al., 2012) et ont permis les premières caractérisations de la variabilité en composition de
la surface (Yamashita et al., 2013 ; Prettyman et al., 2013). Sur Mercure, l’interprétation des données
du détecteur de neutrons a mis en évidence la présence de glace d’eau vers le pôle nord de la planète,
un résultat également publié dans Science (Lawrence et al., 2013).
Plus proche de nous, les modèles d’altération développés depuis 2011 concernent aussi la Terre
primitive. En particulier, nous avons étudié la Terre protérozoïque, par le biais d’expériences (Fabre et
al., 2011, 2013) et de modélisations (Fabre et al., 2012) conduites dans des conditions représentatives
d’une sortie de « snow-ball » sous forte PCO2. Les résultats obtenus mettent en avant le rôle des
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
49
Section des unités de recherche
échanges cationiques à la surface des minéraux et le timing du dépôt des cap-carbonates, apportant un
regard original sur les échanges de CO2 entre les carbonates, l’eau de mer et l’atmosphère.
2.2.6
Environnements ionisés, Plasma spatiaux
La période 2009-2014 se caractérise par des évolutions notables de ces disciplines. Une expertise
‘héliosphère interne’ a émergé, avec pour ambition d’aboutir à une vision ‘système’ des
processus qui se cumulent - de la surface du soleil jusqu’aux planètes. Les observations
multisatellites (CLUSTER, THEMIS) ont conduit à des efforts particuliers en simulation
numérique et théorie, avec des avancées significatives sur les instabilités cinétiques des
structures magnétiques qui ont fait l’objet de débats depuis plusieurs décennies. A Vénus et
Mars le problème des effets de la magnétisation sur l’échappement atmosphérique a été abordé
alors qu’à Jupiter et Saturne la dynamique particulière des systèmes magnétisés en rotation
rapide a été traitée. Concernant la physique des basses couches, la physique complexe des
processus transitoires de très hautes énergies (dans le cadre de la mission TARANIS) est
devenue un thème à part entière du groupe, connecté de manière très originale à l’astrophysique
X et gamma. Toutes ces analyses bénéficient des outils développés au CDPP, souvent dans le
cadre de projets européens (FP7), avec comme marque récente de reconnaissance la sélection de
ce service pour l’exploitation d’expériences ‘plasmas’ (MIP) de ROSETTA. Ces activités ont été
renforcées par le recrutement d’un chercheur CNRS en 2012 et ont bénéficié d’un fort soutien
du CNES. Ces études ont impliqué une centaine de stagiaires, 20 doctorants/post-docs et 9
visiteurs de longue durée (>2 mois).
2.2.6.1 Théorie et bases de données
a) Développements théoriques : Quelques chercheurs et enseignants-chercheurs du groupe
GPPS mènent des travaux théoriques sur le comportement des fluides astrophysiques et des plasmas
spatiaux. Par exemple, nous avons mis sur pied une nouveau modèle cinétique pour étudier les
instabilités des couches de courant en physique des plasmas (thématique de la reconnexion et des
instabilités de couches de plasma). C’est un enjeu théorique majeur de la discipline, associé aux
conversions rapides, voire explosives, d’énergie magnétique en chaleur / accélération de particules /
rayonnement… Ce modèle reste néanmoins sujet à caution dans des conditions de plasmas non
dissipatifs (Fruit et al 2011) et le recours à des modèles plus complets, cinétiques, est donc nécessaire.
Une première approche, limitée aux fluctuations électrostatiques (Tur et al. 2010; Fruit et al. 2013)
montre qu'aucun mode électrostatique ne peut exister tant qu'une population froide d'électrons passants
(non piégés) est présente dans la structure. En revanche, si cette population vient à précipiter dans
l'ionosphère par exemple, une forte instabilité électrostatique se développe en quelques secondes. La
seconde approche concerne le calcul électromagnétique complet, un travail pionnier qui n’a jamais été
abordé dans la littérature. Le résultat du calcul montre que la couche de courant devient fortement
instable dès que la courbure du champ magnétique est suffisamment intense (Tur et al. 2014), un
résultat très prometteur car il permet de comprendre pourquoi les structures de courant peuvent rester
stables sur des temps longs, mais littéralement ‘exploser’ quand les conditions deviennent favorables.
D’autres travaux dans le groupe concernent le chaos dans les systèmes dynamiques, avec la
rédaction de plusieurs ouvrages sur le sujet montrant comment la théorie peut s’appliquer à des
questions astrophysiques, par exemple pour le chaos primordial (Tur, 2013). Le groupe a aussi mené
plusieurs études théoriques en dynamique des fluides et notamment mis en évidence l’existence de
nouveaux vortex 2D ponctuels solutions des équations d’Euler ainsi qu’une instabilité en fluide
stratifié rotationnel (Tur et al., 2013).
b) Bases de données et observatoires virtuels : L’IRAP a la responsabilité du CDPP (Centre de
Données de la Physique des Plasmas, INSU/CNES/Université Paul Sabatier/Observatoire de Paris) un
centre d'archivage et de distribution des données in-situ dans l'héliosphère, la magnétosphère terrestre
ainsi que dans les environnements ionisés des planètes. Ce service (dont le directeur scientifique est
membre du groupe GPPS ; C. Jacquey de 2005 à 2012, puis V. Génot depuis 2012) est labellisé
comme Pôle national de distribution des données de physique des plasmas par l’INSU (SO5) et il est
un service de référence associé au Centre d’Expertise Régional OV-GSO ainsi qu’au nouveau service
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
50
Section des unités de recherche
de météorologie spatiale STORMS. A la suite du succès de son d’outil d’analyse phare, AMDA
(~200-300 utilisateurs mensuels), et depuis environ 5 ans, le CDPP a fait un effort important vers le
développement de nouveaux logiciels (visualisation 3D, connexion entre l’imagerie solaire et les
données du milieu interplanétaire) afin de valoriser l’ensemble de ses données. L’ensemble de ces
logiciels, développés en partenariat avec l’industrie, a élargi la notoriété du CDPP et permis une
implication dans de nombreux projets européens (FP7, ESA) qui ont contribué à l’avancée de
l’Observatoire Virtuel en physique spatiale et planétologie (EuroPlanet, Helio, Impex…). Par ailleurs
le CDPP participera à la diffusion des données de missions spatiales européennes futures telles que
Solar Orbiter et Juice, en lien avec les équipes PI et l’ESA. La base de données AMDA est en
constante évolution et amélioration, alimentée par les équipes scientifiques utilisatrices. A titre
d’exemple, les résultats de modélisation des variations du vent solaire à proximité de
Jupiter/Saturne/Mars à partir d'un code MHD réalisés par notre post-doc C. Tao sont en cours
d'inclusion dans AMDA, tandis que le modèle développé sera introduit à court terme dans l'outil
PropTool. On notera également que le CDPP construit autour d’AMDA une base de distribution des
données plasma de la sonde Rosetta.
2.2.6.2 Environnements terrestres (magnétosphère – ionosphère)
La magnétosphère terrestre est un objet complexe dans lequel il est possible d’étudier de
manière détaillée nombre de processus « plasmas » généraux : physique des frontières et des
discontinuités, instabilités explosives et reconfigurations magnétiques, transports de matière, sources
et perte de plasma, accélération de particules, chauffage, génération de rayonnements. A ce sujet, les
observations faites par les quatre satellites de la mission Cluster de l’ESA sont à la base de beaucoup
de nos travaux. Grâce à notre rôle d’institut PI de l’expérience CIS à bord de Cluster (I. Dandouras) et
de l’expérience HIA à bord du satellite TC-1 de Double Star (H. Rème) nous avons publié ~150
articles depuis 2009 en collaboration avec une cinquantaine de laboratoires dans le monde (cf.
http://cluster.irap.omp.eu/public/publications/CIS_publications_list.htm). Le résumé ci-dessous fait
état des travaux pour lesquels l’équipe de l’IRAP a joué un rôle moteur, à la fois grâce aux données de
CLUSTER, mais aussi dans le cadre d’autres missions telles que THEMIS et DEMETER.
a) Régions externes (choc et magnétogaine) : Dans cette région de la magnétosphère terrestre,
notre premier axe de travail concerne la physique des chocs non-collisionels et l’accélération et la
thermalisation des particules. Par exemple, une analyse statistique des données du profil du champ
magnétique continu à haute résolution temporelle de Cluster a permis, pour la première fois, de
montrer quantitativement des signatures de la non-stationnarité de l’onde de choc (Mazelle et al.,
2010). Par ailleurs, en considérant un front du choc plus réaliste qu’un simple plan, il a été possible de
reproduire de manière satisfaisante des queues suprathermiques observées dans les faisceaux de
particules générés dans la région du pré-choc ionique, qui restaient inexpliqués jusqu’alors (Meziane
et al., 2010). De plus, les fluctuations permettent d’expliquer l’élargissement thermique observé dans
les distributions. Pour une compréhension complète des fonctions de distribution du pré-choc, un
profil totalement réaliste (auto-cohérent) du choc est nécessaire. Une collaboration avec des
spécialistes de simulation (Université du New Brunswick, Canada) a été initiée sur cette thématique,
confirmant l’importance de la dynamique du front du choc.
Le deuxième axe de travail dans ce domaine concerne les relaxations ‘post-choc’ et l’analyse
statistique de l'instabilité ‘miroir’ dans la magnétogaine terrestre. A partir d'un algorithme de détection
automatique (basé en partie sur CDPP/AMDA) sur les données de Cluster pour la magnétogaine
(champ magnétique et moments), et de ACE pour la caractérisation du vent solaire incident et le calcul
d'un modèle de magnétogaine, l'analyse du catalogue d'événements a permis une représentation dans
différents espaces de paramètres de la distribution d'événements miroir dans la région ‘post-choc’. Ces
observations ont ensuite été comparées à des résultats d'un modèle analytique MHD (Passot et al.,
2006) ainsi qu’à ceux d'un modèle numérique (code hybride de P. Hellinger). Le résultat majeur de
cette analyse est le bon accord général entre ces approches concernant la dynamique du mode miroir
(Génot et al., 2009). La comparaison entre l'analyse statistique de conditions spatiales variées et la vue
dynamique apportée par un nouveau modèle d'écoulement du plasma dans la magnétogaine, a
finalement permis de dégager un scénario global d'évolution des structures miroir (Génot et al., 2011)
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
51
Section des unités de recherche
depuis leur formation au front de choc terrestre, leur évolution dans l'écoulement de la magnétogaine,
et finalement leur interaction avec la magnétopause.
Un troisième axe de travail concerne la sensibilité de la dynamique et des processus
magnétosphériques aux conditions externes. En effet, les caractéristiques du vent solaire sont
fortement variables, et il est intéressant d’étudier comment le système choc/magnétogaine/magnétopause réagit à ces variations. Ainsi, on a pu montrer que lors du passage d'éjections de masse coronale
au niveau de la Terre des changements drastiques de l’interaction avec la magnétosphère se produisent
(Lavraud et al., 2009 ; 2013). En raison de leur faible nombre de Mach Alfvénique (dû à leur champ
magnétique intense), la position du choc d'étrave et les écoulements dans la magnétogaine sont
fortement altérés. En l'occurrence, des accélérations de plasma importantes peuvent avoir lieu le long
de la magnétopause, dont l'intensité peut dépasser largement les écoulements dans le vent solaire luimême. Ceci a pu être vérifié à la fois sur la base de simulations MHD globales de la magnéto-sphère et
d'une étude statistique à grande échelle des données Cluster (Lavraud et al., 2013). Sous de telles
conditions, la physique du choc implique également un rapport de température ionique sur température
électronique plus faible dans la magnétogaine (~3 au lieu de 6-10). Une étude a permis de montrer que
ce faible rapport de température n’est pas altéré lors de la pénétration du plasma à travers la
magnétopause sur les flancs (Lavraud et al., 2009). Compte tenu d’autres résultats récents, et au moins
pour l’évènement étudié, cette propriété n’est pas cohérente avec une pénétration du plasma résultant
localement du processus de reconnexion magnétique.
b) Magnétosphère interne : Un des résultats marquants obtenus au cours des cinq dernières
années a été la détection d'un vent plasmasphérique autour de la Terre. En effet, l’existence d’un vent,
transportant continuellement du plasma froid de la plasmasphère vers l’extérieur à travers les lignes du
champ géomagnétique, avait été postulée à partir de calculs théoriques de stabilité du plasma depuis
20 ans, mais son observation directe et sa confirmation n'a été possible que grâce à l'analyse des
données fournies par l'expérience CIS à bord des satellites Cluster (Dandouras, 2013, cf Figure 8 ci
dessous). Ce résultat (qui a fait l’objet de communiqués de presse) est un élément important dans le
bilan de masse de la plasmasphère (équilibre sources-pertes), et il a des implications sur le temps de
« remplissage » de la plasmasphère, suite aux érosions qui résultent d’orages géomagnétiques sévères.
Un autre sujet d’étude concernant la magnétosphère interne est la dynamique des ceintures de
radiation. Nos travaux dans ce domaine ont été stimulés par les mesures des électrons et des protons
fournies par la sonde DEMETER. Ces données ont permis de réaliser un nouveau modèle empirique
des ceintures de radiation (Chen et al., 2012) et de révéler l’importance des ondes naturelles et
anthropiques de très basse fréquence et d’ultra basse fréquence sur la dynamique des ceintures
(Sauvaud et al., 2013, 2014). Par exemple, les ondes VLF naturels (5-20 kHz) entrent en résonance
cyclotron avec les électrons et modifient leur trajectoire le long des lignes de force du champ
géomagnétique conduisant éventuellement à leur précipitation dans l’atmosphère. Ces interactions
ondes-particules sont aussi à l’origine d’un échappement d’ions oxygène thermiques hors de
Figure 8 : Simulation numérique de la formation du vent
plasmasphérique par le mécanisme de l’instabilité d’interchange.
La figure montre le déplacement des éléments du plasma
(symboles x bleus) à partir de leurs positions initiales (points
noirs, alignés sur les lignes de forces du champ magnétique).
L’arc le plus interne de symboles x bleus était ainsi initialement
aligné sur la ligne du champ magnétique la plus interne et ainsi
de suite. L’existence de ce vent a été confirmée grâce aux
mesures fournies par Cluster. Figure d’après Dandouras (2013)
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
52
Section des unités de recherche
l’ionosphère, créant un vent planétaire contrôlé par les orages (Parrot et al., 2014).
En dehors des données de la mission DEMETER, nous avons développé une nouvelle technique
d'étude ces ceintures de radiations terrestres, basée sur l'analyse du bruit de fond induit par les
particules énergétiques pénétrantes des ceintures sur les expériences ioniques (données obtenues à
bord des satellites Cluster). Cette étude a permis de montrer un élargissement de la région « slot »,
entre les deux ceintures, pendant le récent minimum très profond de l’activité solaire (2008-2009). Cet
élargissement est interprété comme le résultat d’une diffusion radiale vers l’intérieur plus faible, ainsi
que d’une accélération locale dans la plasmasphère qui est aussi plus faible (Ganushkina et al.,
2011). Cette étude est également intéressante pour mieux quantifier les effets des fortes radiations sur
la réponse instrumentale des instruments particules, par exemple dans le cadre de la mission JUICE.
Par ailleurs, la densité du courant annulaire a été étudiée en appliquant la méthode du curlomètre.
Cette méthode utilise la relation de Maxwell-Ampère et les mesures du champ magnétique prises
simultanément en quatre points différents (cas de la mission Cluster). Elle a été appliquée avec succès
pour analyser la dynamique de cette région interne, entre 3 et 5 rayons terrestres (Grimald et al., 2012).
c) Dynamique de la queue magnétosphérique : En utilisant Cluster, Double Star et plusieurs
satellites géostationnaires, ainsi que des mesures au sol et dans le vent solaire, la dynamique à grande
et moyenne échelle de la queue a été analysée sur une série de sous-orages magnétosphériques. Cette
étude (Sauvaud et al., 2012), qui s’appuie aussi sur des simulations PIC, a permis de mettre en
évidence que les perturbations de courant à travers la queue sont associées au processus de
reconnexion magnétique. Ces résultats ont été confortés par l’analyse détaillée et statistique des
dépolarisations observées dans la queue proche avec les sondes Themis (Palin, 2012). En particulier,
la caractérisation du bilan énergétique de ces phénomènes, obtenu sur la base de leur étude sur trois
ans de données, montre qu’il sont systématiquement associés à une réduction de courant (Palin et al.,
2012).
d) L’ionosphère et ses couplages, vus du sol et de l’espace : L’étude de l’ionosphère, les
couplages avec la magnétosphère d’une part et l’atmosphère d’autre part, sont des sujets développés
au sein de l’équipe depuis de nombreuses années. Dans ce domaine, l’émergence des synergies entre
les instrumentations sol et spatiale est particulièrement notable, permettant un décloisonnement des
activités de recherche dans le domaine des relations Soleil-Terre. Nous avons à l’IRAP la chance de
regrouper toutes les compétences nécessaires pour mener à bien des études multi-instruments et multiéchelles. Outre notre implication forte dans les missions spatiales, le laboratoire a aussi la
responsabilité française des programmes de radars ionosphériques SuperDARN et EISCAT.
(SuperDARN nous donne une vision horizontale de la dynamique ionosphérique à grande échelle sur
les deux hémisphères ; EISCAT rend compte très localement de la verticalité de la thermodynamique
ionosphérique). Le développement de modèles numériques décrivant l’ionosphère, les couplages avec
la magnétosphère et les rayonnements des diverses espèces excitées par les précipitations (e.g.
TRANSCAR) vient compléter nos études autour de l’ionosphère (Blelly et al., 2010).
Des thématiques tirant avantageusement parti des coordinations sol-espace ont été explorées ces
dernières années à l’IRAP comme la pénétration du vent solaire dans la magnétosphère et l’ionosphère
diurnes (Cai et al., 2009 ; Fear et al., 2009 ; Marchaudon et al., 2009 ; Zhang et al., 2011) et l’effet
d’une éclipse de Soleil sur l’ionosphère (Pitout et al., 2013). De vastes réseaux de magnétomètres et de
caméras plein-ciel sont aussi utilisés en conjonction avec les satellites CLUSTER et THEMIS pour
l’étude de la dynamique magnétosphérique du côté nuit (Cao et al., 2010 ; Hamrin et al., 2012 ; Palin
et al., 2012) cependant que DEMETER est particulièrement bien adapté à l’analyse de particules de
hautes énergies provenant des ceintures de radiation (Clivert et al., 2010 ; Rodger et al., 2010).
Plus récemment, les satellites SWARM, en orbite depuis fin 2013, ouvrent de nouvelles
perspectives pour l’étude de l’électrodynamique du couple magnétosphère-ionosphère avec
notamment la possibilité de déterminer précisément l’intensité et le sens de circulation des courants
alignés qui couplent la magnétosphère et l’ionosphère. Notre équipe est fortement engagée dans la vie
scientifique de SWARM au travers d’une participation dans un groupe de travail mis en place par
l’ESA pour définir les synergies entre Cluster, SWARM et l’instrumentation au sol (Buchert et al.,
2013 ; Kauristie et al., 2013). Un autre exemple original de synergie sol-espace est l’étude du couplage
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
53
Section des unités de recherche
mécanique entre la terre solide, l’atmosphère et l’ionosphère à partir des données de la mission GOCE
(Garcia et al., 2013 ; 2014), une approche explorée également pour Vénus grâce aux données de
l’instrument VIRTIS embarqué à bord de la sonde Venus Express (Garcia et al., 2009).
2.2.6.3 Environnements Planétaires
Le groupe a une longue expérience d’observation et de modélisation des enveloppes externes
d’autres planètes que la Terre, qu'il a poursuivies ces dernières années dans les environnements de
Mars, des planètes géantes, ainsi qu'au moyen d'approches multi-planètes prometteuses.
a) Mars et Vénus : Les études entreprises sur les planètes telluriques se concentrent sur le
problème de l’échappement atmosphérique. Des résultats fondamentaux dans ce domaine ont été
obtenus à partir de l'analyse des mesures des sondes Mars Global Surveyor (MGS), Mars-Express
(MEx) et Venus-Express (VEx). L’implantation d’ions nouveaux dans le plasma environnant de ces
planètes par l’ionisation des neutres exosphériques (en particulier l’hydrogène mais aussi l’oxygène)
est indirectement révélée par des effets d’interactions ondes-particules spécifiques qui génèrent des
ondes électromagnétiques basse-fréquence cohérentes. Les ondes cohérentes observées en amont des
ondes de chocs d’étrave de Mars et de Vénus peuvent ainsi être produites soit par les ions incidents du
vent solaire (protons) réfléchis au choc (« pré-choc »), soit par les ions implantés localement
(« pickup »), soit enfin par les ions pickup réfléchis au choc. Des ondes cohérentes à la fréquence
cyclotron des protons ont été observées autour de Mars sur les données magnétiques à partir des
mesures de Mars Global Surveyor (Romanelli et al., 2012) et autour de Venus avec les mesures du
magnétomètre de Venus Express (Delva et al., 2009 ; 2011 ; 2014). L’étude détaillée des propriétés de
ces ondes a permis de montrer que celles-ci étaient engendrées par une micro-instabilité résonante
avec les ions nouvellement implantés (Delva et al., 2011). Dans le cadre d’une collaboration francoargentine (programme Ecos-Sud), de nouveaux résultats ont été obtenus montrant la variabilité
temporelle de la structure de l’exosphère planétaire (Romanelli et al., 2012) et l’influence de celle-ci
sur la microturbulence autour de ce type de choc planétaire. En particulier la variation de l’occurrence
des ondes est très bien corrélée avec la variation saisonnière de l’exosphère prévue par les modèles du
fait de l’excentricité de l’orbite de Mars (Bertucci et al., 2013). Des travaux effectués en collaboration
ont permis d’étudier les propriétés du choc de Venus (Whittaker et al., 2010) et de montrer la
possibilité d’accélérer les ions lors de réflexions multiples au niveau du choc des deux planètes
(Yamauchi et al., 2011 ; 2012).
D’autres études dans le cadre de la collaboration MEx/VEx ont permis de montrer l’existence
d’une faible précipitation de protons issus du vent solaire à basse altitude dans l’ionosphère de Mars
(Dieval, et al., 2012), d’estimer l’écoulement d’ions lourds à travers le terminateur de Venus à
l’intérieur de la magnétosphère induite (Szego et al., 2009) et de le caractériser en période de
minimum solaire (Wood et al., 2012). Nous avons aussi montré l’existence d’échappements de
caractère « impulsif » côté nuit dans la couche de plasma (Dubinin et al., 2012), que l’échappement
d’oxygène dans la haute atmosphère (de Vénus) est contrôlée par la direction champ magnétique
(Masunaga et al., 2013), ou encore que la dimension moyenne de la magnétosphère induite de Venus
et de l’onde de choc qui l’entoure varie significativement avec le cycle solaire (Shan et al., 2014).
La modélisation des exosphères a également fait l'objet d'une thèse employant deux approches
analytiques. Le premier modèle a permis de calculer rigoureusement l'importance d'une population
exosphérique spécifique - les particules "satellites" - dont l'existence est liée à la présence de rares
collisions (habituellement négligées) dans la couronne externe des atmosphères planétaires. Les
résultats ont montré que ces populations négligées peuvent en réalité contribuer de manière
significative aux densités exosphériques des espèces légères, en particulier dans les environnements de
Mars ou de Titan (Beth et al., 2013). Un second modèle a analysé l'influence de la pression de
radiation solaire sur la structure des exosphères planétaires, les profils de densité atmosphériques et les
flux d'échappement. La pression de radiation augmente ainsi le flux d'échappement d'hydrogène
atomique de 40% par rapport au flux de Jeans dans l'environnement de Mars. Par ailleurs, l'application
de ce modèle aux exoplanètes montre un impact significatif de la pression de radiation sur
l'éloignement du lobe de Roche, qui est initialement proche de la planète pour les Jupiter chauds.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
54
Section des unités de recherche
b) Planètes géantes et leurs lunes: Motivés par l’arrivée prochaine de la mission JUNO à Jupiter
et également par la préparation de JUICE, nous nous sommes replongés dans l’analyse des données
GALILEO. Cela nous a permis de compléter et de systématiser des travaux des années 2000, relatifs à
la dynamique du magnétodisque de Jupiter. Sur la base de l’analyse de l’intégralité des données
ondes/particules exploitables, un schéma unifié des processus énergétiques régissant la dynamique du
disque a été proposé. Il permet d’établir un lien causal entre des processus internes au disque (injection
de particules, éjection de plasma thermique, création de sources de rayonnement) et des processus de
reconnexion et d’évacuation de plasma au bord externe du disque (Louarn et al., 2014).
Concernant les missions futures vers le système jovien, un travail de thèse a permis de
modéliser l'environnement proche de Ganymède (R. Allioux, 2012), incluant notamment un code de
simulation particulaire afin de prédire les caractéristiques des populations plasma de très hautes
énergies. Cela a permis d'étudier l'environnement radiatif auquel serait soumis un orbiteur potentiel
proche de Ganymède (Allioux et al., 2013). Ainsi, la présence de Ganymède et de son champ
magnétique réduit d'au moins 50% la dose attendue pour un orbiteur circulaire à basse altitude, un
résultat qui a été pris en compte dans les spécifications de la mission JUICE par l'Agence Spatiale
Européenne. Par ailleurs, un code de simulation hybride, développé par R. Modolo au LATMOS, a été
étendu au cas de l'interaction du plasma jovien avec la magnétosphère de Ganymède, illustrant
l'importance des phénomènes cinétiques dans cette mini-magnétosphère. Un autre modèle hybride a
également été construit afin d'étudier l'environnement plasma et champs électromagnétiques autour
d'Europa (Sittler et al., 2013) dans le but d’optimiser les instruments scientifiques proposés par le
consortium CEPAGE (André et al., 2012) à la mission JUICE.
Le groupe a également poursuivi ses études autour de Saturne, grâce à notre participation aux
équipes scientifiques de plusieurs instruments à bord de la mission Cassini (RPWS, CAPS, MIMI).
Premièrement, nous avons contribué à la caractérisation des différentes régions magnétosphériques
traversées par Cassini, en particuler la mise en évidence des paramètres qui gouvernent la structure de
la magnétosphère interne (Arridge et al., 2011 ; Schippers et al., 2012). Par ailleurs, nous avons
démontré l’influence des électrons énergétiques sur le signal mesuré par la sonde de Langmuir de
l’expérience RPWS, apportant un regard nouveau sur les données obtenues (Garnier et al., 2012 ;
2013). Troisièmement, un travail de thèse en cours a permis de modéliser les trajectoires des ions
énergétiques dans l'environnement des satellites de Saturne, Rhea et Dione, reproduisant ainsi les
signatures d'absorption observées par l'instrument MIMI/LEMMS (Kotova et al., en préparation). En
parallèle, nous développons un modèle pour simuler l'interaction des rayons cosmiques galactiques
avec les anneaux et l'atmosphère de Saturne, à l'origine de la ceinture interne de radiations. Ce travail
apportera des réponses cruciales concernant les niveaux de doses de radiation attendus à la fin de la
mission lors de la traversée de cette ceinture par la sonde Cassini.
Plus loin dans le système solaire, une campagne d’observation des émissions aurorales d’Uranus
par le télescope spatial Hubble, effectuée fin 2011, a mis à profit un alignement planétaire TerreJupiter-Uranus favorable, permettant l’étude de la réponse aurorale de ces trois planètes au passage
des mêmes chocs interplanétaires. Cette technique a permis de re-détecter positivement les aurores
d'Uranus (Lamy et al., 2011), d'en obtenir les premières images et d'apporter les premières
informations sur sa magnétosphère depuis un quart de siècle.
2.2.6.4 Système couronne solaire – vent solaire
Comme indiqué plus haut, une expertise particulière ‘héliosphère interne’ a émergé au sein du
groupe depuis 2009, combinant les analyses ‘remote sensing’ et ‘in-situ’ de STEREO (Solar
Terrestrial Relations Observatory) et SDO (Observatoire de Dynamique Solaire) et préparant Solar
Orbiter. Nos travaux sur les données STEREO ont attiré trois postdocs d’instituts étrangers et deux
postdocs issus de laboratoires français. Nous sommes aussi meneurs de deux équipes de recherche
financées sur un projet européen (FP7-HELCATS) mis en place en Mai 2014 et qui a comme but
principal d’analyser les données STEREO (imagerie et in situ combinées).
La mission STEREO de la NASA comprend deux satellites dérivant graduellement en amont
(STEREO-A) et en aval (STEREO-B) de la Terre le long d’orbites similaires autour du Soleil.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
55
Section des unités de recherche
STEREO est la première mission obtenant des images du vent solaire et de la face cachée du Soleil
depuis deux points de vue différents simultanément. L’instrumentation de STEREO permet de lier la
dynamique de la couronne solaire avec la dynamique de l’héliosphère, apportant ainsi des éléments de
réponse aux grandes questions de la physique solaire et héliosphérique. Sous la responsabilité de J.A.
Sauvaud, l’IRAP a conçu, construit et calibré l’instrument de mesure des électrons suprathermiques du
vent solaire (Solar Wind Electron Analyser ; SWEA) à bord de STEREO, qui fournit les premières
mesures multipoints des électrons du vent solaire, données clés dans une grande variété d’études.
a) La couronne solaire : En combinant les instruments d’imagerie avec SWEA nous avons mis
en évidence que le vent solaire lent est constitué de structures transitoires de petite échelle, qui se
forment dans les couches denses de la couronne solaire (Rouillard et al. 2009a, 2010ab, 2011). Par
ailleurs, dans une série d’études rendue possible grâce à la séparation spatiale des sondes STEREO, les
variabilités longitudinales de la vitesse d’écoulement du plasma et de la densité du cœur des électrons
du vent solaire (Opitz et al. 2009 ; 2010) ont pu être caractérisés, en particulier à proximité des régions
d’interaction en corotation (CIR). Compte tenu de la vitesse des électrons suprathermiques, les
données SWEA sont également importantes pour déterminer la topologie magnétique à grande échelle
dans l’héliosphère, comme cela a démontré statistiquement à proximité des CIR (Lavraud et al. 2010).
Les propriétés des électrons suprathermiques permettent également de sonder la connectivité des pieds
des lignes de champs magnétiques des CMEs, et ainsi l’occurrence du processus de reconnexion
d’« interchange » dans la couronne solaire. Utilisant une liste de CME bien déterminée, il a été montré
que l’ouverture des pieds des lignes de champ magnétique des CME était compatible avec un transport
dans la couronne dirigé vers l’équateur, suggérant un rôle important de ce processus dans la
reconfiguration de la couronne au cours du cycle solaire (Lavraud et al. 2011).
Les observations multipoints (STEREO, SDO) des ondes de choc dans la basse et haute
couronne nous ont permis aussi d’interpréter pour la première fois l’intensité, la distribution spatiale et
l’évolution temporelle du flux de particules très énergétiques (dépassant plusieurs GeV par nucléon)
en provenance du Soleil lors du déclenchement des orages solaires (Rouillard et al. 2012, 2014). Un
post-doctorant travaille actuellement sur la modélisation de l’accélération dans ces ondes de chocs et
de la propagation des particules dans le milieu interplanétaire.
b) Le vent solaire : Nous avons identifié et étudié des signatures de reconnexion magnétique
dans le vent solaire, près de 1 AU, s’étendant sur de très grandes échelles (Lavraud et al. 2009). Ces
observations ont permis de confirmer la nature intrinsèquement stable de la reconnexion magnétique,
au moins dans le régime spécifique du vent solaire. Nous avons aussi démontré que le champ
magnétique des orages solaires se reconnecte avec le champ magnétique du vent solaire lors de leur
propagation du Soleil à 1AU (Ruffenach et al. 2012). Cette reconnexion altère la structure magnétique
des perturbations solaires et donc leur capacité de couplage avec la magnétosphère terrestre, et
d’induction de forts orages géomagnétiques (Lavraud et al. 2014).
Par ailleurs, nous avons publié les premières images de CMEs percutant des planètes du
système solaire. Des impacts confirmés grâce aux mesures in-situ obtenues par l’instrument ASPERA
sur Vénus Express près de Vénus (Rouillard et al. 2009b) et par Wind près de la Terre (Rouillard et al.
2010c). Ces études, combinées à notre travail sur la reconnexion magnétique des orages solaires,
apportent de nouvelles informations importantes pour une meilleure météorologie de l’espace
(Lavraud et Rouillard 2014).
2.2.7
Réalisations et développements instrumentaux
La conception, la fabrication et l’exploitation d’instruments embarqués sont des activitées
qui ont largement contribué à la renommée internationale du groupe et qui ont fortement
mobilisé les équipes scientifiques et techniques du groupe au cours de la période 2009-2014.
Plus de 150 personnes ont participé aux actions de développement et de réalisation
d’instrumentation, avec plusieurs fournitures ‘lourdes’ pour les grandes agences spatiales
internationales.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
56
Section des unités de recherche
2.2.7.1 Mesures d’électrons et ions thermiques
La filière des instruments « plasma » a connu une période de forte activité pendant la période
2009-2014, avec plusieurs fournitures de premier plan, en particulier l’instrument SWEA (Solar Wind
Electron Analyser), spectromètre d'électrons faisant partie de la charge utile de la mission MAVEN
(Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN) de la NASA, et deux spectromètres d’électrons pour
l’orbiteur magnétosphérique de la mission ESA/JAXA Bepi-Colombo à destination de la planète
Mercure (Mercury Electron Analyzers ; MEA, voir en Figure 9). Le groupe a également participé à
l’électronique de l’expérience SERENA (Search for Exospheric Refilling and Emitted Neutral
Abundances) à bord de Bepi-Colombo et validé et étalonné l’ensemble des 32 détecteurs de vol
(galettes à micro-canaux) pour des spectromètre d’ions de la mission Magnetospheric Multi-Scale
(NASA). Une autre réalisation à noter est AMBRE (Active Monitor Box of Electrostatic Risks), un
instrument réalisé en collaboration avec le CNES et des PME toulousaines (EREMS et COMAT),
comprenant deux têtes de mesure pour la détection combinée des ions et électrons sur le satellite
océanographique Jason-3.
Figure 9 : l’un des senseurs "analyseur
d’électrons " (MEA) construit à l’IRAP
pour la sonde MMO (JAXA) de la
mission Bepi-Colombo, qui sera lancé
vers Mercure en 2016 pour l’atteindre
en 2024.
Par ailleurs, les sélections M1 (Solar Orbiter) et L1 (JUICE) de Cosmic Vision (ESA) ont
stimulé d’autres projets instrumentaux d’envergure. Pour JUICE (Jupiter ICy moon Explorer), l’IRAP
a conduit un consortium impliquant dix instituts en Europe, aux USA et au Japon qui a proposé
l’expérience CEPAGE (ChargEd Particle Analyzers for Galilean Environments), une suite de cinq
instruments de mesure des particules chargées. Bien que priorité du CNES, la proposition n’a pas été
retenue à la fin de la phase 0/A (2009-2012). Pour Solar Orbiter, l’IRAP a la responsabilité de la
conception, fabrication et exploitation d’un des instruments clefs de la mission : le Proton/Alfa sensor
qui va mesurer la composante principale du vent solaire. L’adaptation aux conditions très particulières
de Solar Orbiter requiert un design d’ensemble très original, une électronique HT poussée aux limites
de la technologie et la conception d’une protection thermique particulièrement soignée.
2.2.7.2 Lasers pour l’analyse in-situ des surfaces planétaires
Le développement et la réalisation de l’instrument ChemCam, en particulier son laser
impulsionnel infrarouge (1067 nm) de grande puissance et de petite taille (masse < 550 g), ont établi
les laboratoires de l’OMP comme un des leaders mondiaux de l’analyse in-situ des surfaces
planétaires. Ce développement, effectué sous maitrise d’œuvre de l’IRAP/OMP de 2005 à 2011
nécessitait aussi le développement de l’électronique de pilotage, en parallèle des éléments optomécaniques et électroniques de l’instrument. Le développement a concerné également un laser continu
(785 nm), utilisé pour focaliser le télescope entre 2 et 15 m du rover.
Depuis l’arrivée de ChemCam sur Mars en 2012, nous continuons le développement des
systèmes d’analyse in-situ via différentes actions de R&D au CNES (augmentation de puissance,
augmentation de cadence, réduction des ressources, élargissement de la plage thermique, doublement
de la longueur d’onde du laser). Certaines de ces actions se font dans le cadre de notre rôle de coVague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
57
Section des unités de recherche
responsable de l’instrument Raman à bord du rover ExoMars de l’ESA (lancement 2018), alors que
d’autres visent à se préparer à d’éventuelles opportunités de missions à venir, comme une mission vers
Vénus (projet SAGE) ou la prochaine mission de la NASA vers la surface de Mars (MARS-2020).
2.2.7.3 Mesures hautes énergies
Une activité relativement nouvelle dans le groupe concerne la mesure de particules de haute
énergie. Une première application concerne la mission TARANIS, un satellite du CNES qui va étudier
des phénomènes énergétiques de la haute atmosphère terrestre. L’IRAP a conçu l’Instrument de
Détection des Electrons Energétiques (IDEE) destiné à mesurer la trace à basse altitude des ceintures
de radiation, les précipitations d’électrons induites par les éclairs d’orages et les électrons relativistes
associés aux flashs gamma terrestres. La diversité des objectifs et des flux attendus a conduit à
développer deux détecteurs semi-conducteurs segmentés, superposés, un en silicium pour les mesures
de routine et l’autre en CdTe pour la détection des faibles flux d’électrons de très grande énergie. Le
groupe a aussi la responsabilité de la fourniture de cartes haute tension et le développement d’un
logiciel de visualisation sur des détécteurs X et γ (XGRE) à bord du même satellite.
Une deuxième voie activement développée concerne la mise au point d’une nouvelle génération
de détecteurs de germanium destinée au plan focal d'un télescope à rayons X durs. Ce projet, Phénix,
cherche à étendre la gamme d’énergie et à optimiser la résolution spatiale et spectrale des détecteurs
existants, avec la possibilité de mesure de la polarisation. Cette action de R&T ambitieuse est financée
par le CNES et combine des développements en mécanique, électronique analogique et numérique, la
simulation du détecteur et de la chaîne électronique, et la réalisation d'un prototype.
2.2.7.4 R&D plasmas
Afin d’étendre notre capacité à proposer et à développer de nouveaux instruments pour la
mesure des plasmas spatiaux, nous avons consacré un effort particulier aux activités de R&D:
a) Incidence rasante pour la spectrométrie de masse : Les performances des spectromètres de
masse à temps de vol actuellement utilisés sont limitées, car pour estimer la masse de l’ion incident, il
est nécessaire de lui faire traverser une feuille de carbone. Ce passage engendre une incertitude sur la
mesure de la masse à cause de la perte d’une partie de l’énergie de l’ion. Une étude R&D CNES (thèse
A. Cadu) montre qu'il est possible de remplacer les feuilles de carbone par des galettes à microcanaux
en incidence rasante. Les ions diffusent alors à faible incidence et ne perdent que très peu d'énergie. Le
modèle d'ingénierie (EM) développé et testé affiche des résultats très prometteurs.
b) Electronique de détection intégrée (ASIC): Dans le cadre d’un financement obtenu auprès de
la fondation RTRA « Sciences et Technologies pour l’Aéronautique et l’Espace », une électronique
intégrée à 16 voies (ASIC) a été développée en collaboration avec le LOSE/LAAS dans le but
d’amplifier les signaux délivrés par des multiplicateurs d’électrons sans fenêtre. Cet ASIC a été le
prélude au développement, avec le support du CNES, d’un autre ASIC associé à des détecteurs à semiconducteurs pour l’expérience IDEE/ TARANIS.
c) Algorithme de compression de données: Un algorithme de traitement des spectres a été mis
au point pour réaliser la compression des données à bord des satellites et reconstruire avec précision la
composition du plasma au sol. La télémétrie nécessaire à l'envoi des données brutes est ainsi divisée
par 16 au minimum, avec une précision sur la composition de l'ordre de 5 % avec un bon rapport
signal sur bruit. Cet algorithme a d’ores et déjà été implémenté sur un FPGA et est parfaitement
fonctionnel, avec un temps de calcul minimal et un temps mort électronique de l'ordre du pourcent.
d) Technique de coïncidence pour spectromètre électrons: Un dispositif novateur permettant
d’améliorer le rapport signal sur bruit dans les environnements radiatifs intenses a été développé dans
le cadre de missions vers Jupiter et ses lunes. Le dispositif proposé consiste à accélérer les électrons en
sortie d’un analyseur électrostatique vers une feuille métallique en polyimide, et à détecter le double
signal créé par les électrons à l’entrée et à la sortie de la feuille pendant un court intervalle de temps
(par coïncidence). Un prototype a été réalisé et testé en chambre à vide en 2012, validant le concept.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
58
Section des unités de recherche
2.2.7.5 Moyens d’expérimentation au laboratoire
Un temps fort de la création de l’IRAP a été la mise en place d’une plateforme expérimentale
comportant des appareils permettant d’étudier les processus physico-chimiques des intérieurs
planétaires, les surfaces planétaires et les interactions atmosphère-surface. Cette plateforme regroupe
un grand nombre d’expériences qui se trouvaient distribuées dans différents laboratoires de l’OMP
avant 2011. La plateforme comprend un large ensemble d’équipements, dont certains ont été
développés depuis 2011, en particulier une presse avec module type piston-cylindre et un module
multi-enclume, ainsi qu’un analyseur de radon et une chaine de mesure alpha.
Les installations de laboratoire concernent aussi l’étalonnage des instruments destinés à être
embarqués à bord de missions spatiales. A ce propos, nous soulignerons le développement d’une
« chambre martienne », dans laquelle le modèle de qualification de l’instrument ChemCam a été
installé afin de constituer une base de données de raies spectrales de référence. De la même façon, le
laboratoire a un savoir faire incontestable dans la calibration d’instruments « plasma ». Pour
consolider notre position européenne et internationale dans les compétitions à venir, un nouveau banc
de calibration pérenne de haut niveau (CALIPSO) est en cours de réalisation et d’installation dans le
nouveau bâtiment technique du site Roche (P2IS).
2.2.8
Transferts auprès du monde socio-économique
Le groupe GPPS entretient de nombreux et divers liens avec le monde socio-économique.
Premièrement, nous avons développé des collaborations avec les entreprises locales dans le cadre de
développements instrumentaux (AMBRE : section 2.2.7.1) et de logiciels (AMDA : section 2.2.6.1).
Deuxièmement, plusieurs chercheurs du groupe travaillent avec des partenaires industriels,
souvent en relation avec l'industrie nucléaire (corrosion des circuits primaires et secondaires des
centrales nucléaires avec EDF, synthèse des verres de stockage avec le CEA, problèmes
environnementaux liés au stockage des déchets avec l'ANDRA). Six thèses ont été soutenues ou sont
en cours sur ces sujets, avec trois partenaires privilégiés : le site R&D d'EDF aux Renardières, le CEA
à Marcoule et le centre de recherche du groupe St-Gobain à Aubervilliers. Ces études, souvent en
amont d'une finalité industrielle, ont donné lieu à de nombreuses publications (Truche et al., 2013 a, b,
c ; Chopinet et al., 2011; Gouillart et al., 2012 ; Grynberg et al., 2014 ; Monteiro et al., 2014).
Troisièmement, l'équipe de sismologie répond à des demandes d'expertise dans le domaine de la
sismicité pyrénéenne (opérateurs de centrales hydroélectriques, dossiers d'indemnisation), et diffuse
des bulletins d'information auprès des services de sécurité civile en cas de séisme ressenti par la
population. Il édite également des bulletins de synthèse de la sismicité locale, utilisés par les
collectivités locales et territoriales, par exemple dans le cadre de l'élaboration de plans de prévention
des risques.
Au-delà de ces interactions avec des acteurs socio-économiques, les membres du groupe sont
aussi particulièrement actifs dans la diffusion des savoirs, d’une part auprès du grand public et d’autre
part auprès des scolaires. Par exemple, nous avons effectué plus que 120 interventions à travers
l’Europe pour parler de nos thématiques, le succès de ChemCam représentant un vecteur
particulièrement médiatique pour sensibiliser les publics non-spécialisés à la planétologie. Par ailleurs,
nous avons contribué à la conception des expositions permanente et temporaire de la Cité de l’Espace,
assuré la démonstration du simulateur d’aurores polaires (la planeterrella) qui permet de voir des
émissions lumineuses et d’illustrer les relations Soleil-Terre et développé un site Web qui permet
d’accéder aux données des stations en temps réel et de visualiser les derniers événements sismiques
majeurs enregistrés, un outil qui équipe le Muséum d’Histoire Naturelle de Toulouse, la Maison de la
Connaissance sur le Risque Sismique à Lourdes et le château d’Abadia à Hendaye. Nos efforts auprès
des scolaires sont aussi à noter avec la construction d’une maquette grandeur nature du robot Curiosity
par des élèves en BTS de la région Midi-Pyrénées, notre participation au programme interministériel
« Sismo à l'école » et notre participation à la formation continue des professeurs de collège et lycée
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
59
Fiche synthétique IRAP - MICMAC
Présentation synthétique du Groupe
« Milieu Interstellaire – Cycle de la Matière –
AstroChimie »
MICMAC
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
___________________________________________________________________________________________
Intitulé de l’unité : MICMAC (Milieu Insterstellaire – Cycle de la Matière – Astro-Chimie)
Nom du directeur de l’unité ou de l’équipe pour le contrat en cours : E. Caux / K. Demyk
Nom du directeur de l’unité ou de l’équipe pour le contrat à venir : E. Caux / K. Demyk
___________________________________________________________________________________________
Effectifs de l’entité (au 1er janvier 2011, création de l’IRAP).
4 enseignants-chercheurs; 7 chercheurs; 5 Post-docs, 4 Doctorants.
Personnels ayant quitté l’entité pendant le contrat en cours (et nombre de mois cumulés passés dans l’entité au
cours de cette période).
6 Post-docs (177 mois), 4 Doctorants (84 mois)
Nombre de recrutements réalisés au cours de la période (2011 – 2014) et origine des personnels
1 Chargé de Recherches 2ième Classe au CNRS Section 17 (Post-Doc CNES); 1 Astronome Adjoint CNAP Section AA
(Post-Doc CNES) et 1 Maitre de Conférences à l’Université Paul Sabatier-Toulouse (Post-Doc NASA)
___________________________________________________________________________________________
Réalisations et produits de la recherche au cours de la période écoulée (1er janvier 2009 – 30 juin 2014) :
1) Réalisations techniques: Co-PI ship de l’instrument focal HIFI de l’Observatoire Spatial Herschel. Fourniture du
spectromètre haute résolution de Herschel-HIFI; Fourniture de l’électronique de lecture de l’instrument HFI de Planck
et caractérisation des effets systématiques; Responsabilité scientifique et technique du projet ballon PILOT.
2) Plateforme Nanograins: Jouvence du dispositif ESPOIRS et amélioration des performances de PIRENEA: nouveaux
résultats sur la dépendance en température de l'émission mm de grains silicatés; Premières mesures de spectres
électroniques de PAH déshydrogénés et simulation de l'évolution des PAH et VSG en ambiance cosmique.
3) Détection de l'ion fullerène C60+ à proximité des étoiles chaudes (Berné, Mulas, Joblin 2013, A&A 550, L4)
confirmant la présence de grandes molécules carbonées libres dans ces régions, et leur évolution physico-chimique en
lien avec les mesures PIRENEA (Montillaud, Joblin & Toublanc 2013, A&A 552, A15).
4) Caractérisation de l’émission “Anomalous Dust” de la Galaxie. Cartographie de la composante “Dark Gas” du MIS
(Planck Collaboration 2011, Astronomy & Astrophysics 536,A19), de l’émission polarisée de la poussière et du champ
magnétique Galactique. Recensement des Cold-Cores galactiques par l’analyse statistique combinée Planck-Herschel.
5) Mise en évidence d’un nuage d’avant-plan vers une protoétoile de type solaire par la modélisation de l’émission de
l’eau et de ses formes deutérées sur un grand nombre de transitions permettant de distinguer les différentes couches
sur la ligne de visée (Vastel C. et al. 2010, A&A et Coutens A. et al. 2012, A&A 539,12).
Vague A : campagne d’évaluation 2014 – 2015
janvier 2014
Fiche synthétique IRAP - MICMAC
___________________________________________________________________________________________
Bilan quantitatif des publications de l’entité.
349 publications dans des journaux à referee, 77 proceedings de conférence, 3 livres, 2 HDR et 9 thèses d’Université.
__________________________________________________________________________________________
Indiquer les 5 publications majeures de l’entité.
-
“The Herschel-Heterodyne Instrument for the Far-Infrared (HIFI)”: de Graauw, Th.; Helmich, F.P.; Phillips, T.G.;
Stutzki, J.; Caux, E. et al.: 2010, Astronomy & Astrophysics 518, L6
-
“Detection and characterization of a 500µm dust emissivity excess in the Galactic plane using Herschel/Hi-GAL
observations” : Paradis D., Paladini R., Noriega-Crespo A., Mény C., Piacentini F., Thompson M. A., Marshall D.J.,
Veneziani M., Bernard J.-P., Molinari S.: 2012, Astronomy & Astrophysics 537,113
-
“A Study Of Deuterated Water In The Low-Mass Protostar IRAS16293-2422”: Coutens A., Vastel C., Caux E.,
Ceccarelli C, Bottinelli S., Wiesenfeld L., Faure A., Scribano Y. & Kahane C.: 2012, Astronomy & Astrophysics 539,12
-
“Interstellar C60+”: Berné, O., Mulas G. & Joblin, C.: 2013, Astronomy & Astrophysics 550,L4
-
“Planck early results XIX. All-sky temperature and dust optical depth from Planck and IRAS. Constraints on the “dark
gas” in our Galaxy”: Planck Collaboration 2011, Astronomy & Astrophysics 536,A19, corresp. author J.-P. Bernard
___________________________________________________________________________________________
Indiquer au maximum 5 documents majeurs (autres que les publications) produits par l’entité.
- Logiciel libre CASSIS : http://cassis.irap.omp.eu. Ce logiciel permet d’analyser les données à haute résolution
spectrale en provenance de tout télescope. Il est écrit en JAVA et comporte plus de 100000 lignes de codes. Il est en
évolution constante depuis une dizaine d’années.
- Outil DustEM (développé conjointement par l’IRAP et l’IAS) permettant la modélisation de données en émission et
extinction. L’outil DustEM_Wrap codé en IDL, est une interface de minimisation modèle/données, accessible via le
site : http://dustemwrap.irap.omp.eu/.
___________________________________________________________________________________________
Indiquer au maximum 5 faits illustrant le rayonnement ou l’attractivité académiques de l’entité.
- 61 présentations invitées MICMAC à des conférences internationales et 10 chercheurs étrangers invités au MICMAC
- Co-PI-Ship de l’ERC-Synergy Nanocosmos 2014-2020, Co-PIs: J. Cernicharo CSIC-Madrid, C. Joblin, et J.A. MartínGago, CSIC-Madrid. PI-Ship des ANR GASPARIM 12/2010-12/2014, PI: C. Joblin, partenaires: LCPQ-Toulouse, ISMOOrsay et CIMMES 01/2012-07/2015, PI: K. Demyk, partenaires: IAS-Orsay, LPCNO-Toulouse, UMET-Villeneuve d’Ascq
- Symposium international, "PAHs and the Universe: a Symposium to celebrate the 25th anniversary of the PAH
hypothesis" (06/2010), Toulouse, réunissant 133 scientifiques (chairs: C. Joblin et A.G.G.M Tielens – Université de
Leiden). Publication: C. Joblin and A.G.G.M Tielens Eds, EAS Publications Series vol. 46, 2011
- Conférence internationale, "ECLA: European Conference on Laboratory Astrophysics" (09/2011), Paris, réunissant
environ 150 participants (chairs: C. Stehle, C. Joblin, L. d'Hendecourt). Publication: C. Stehle, C. Joblin and L.
d'Hendecourt Eds, EAS Publications Series vol. 58, 2012
- Atelier SF2A sur les champs magnétiques interstellaires, 06/2013, Montpellier (K. Ferrière & I. Ristorcelli)
___________________________________________________________________________________________
Indiquer au maximum 5 faits illustrant les interactions de l’entité avec son environnement socio-économique ou
culturel.
- Co-financement CNES-industrie pour 2 thèses, une avec MICROTEC (Toulouse) et une avec NOVELTIS (Toulouse)
___________________________________________________________________________________________
Indiquer les principales contributions de l’entité à des actions de formation).
- Encadrement de 8 Post-Docs, 15 doctorants, 19 stagiaires de M2 et 32 stagiaires de M1, L3 ou écoles d’ingénieurs
- Coordination et animation des modules “Astrochimie” du Master 1 ASEP-UPS, “TP d’instrumentation” du Master
2P TSI et “Cycle de la matière et milieu interstellaire” du Master 2R ASEP-UPS
- Cours de formation continue à l’IPST-CNAM (Institut de la Promotion Supérieur du Travail – Conservatoire National
des Arts et Métiers) sur les capteurs physiques, chimiques et biologiques (PCM103)
- Cours aux écoles thématiques: “3rd ITS LEIF Winter School”, Ecole européenne (Pralognan, France, 03/2010);
“COSPAR 2012 school. Infrared and Submillimeter Astronomy with Herschel and Spitzer” (Buenos Aires,
Argentina, 10/2012); “Sardinian Summer School of Astrophysics” (Cagliari, Italy, 09/2012); “Exploiting the
Herschel and Planck data” (Paris, France, 04/2013); “La poussière, de la troposphère au MIS” (Les Houches,
France, 03/2014); “Astrochemistry's cool” (Cuenca, Espagne, 09/2014)
- Cours CASSIS à l’atelier Formation VO de l’Observatoire de Paris, (Paris, France, 05/2014)
___________________________________________________________________________________________
Le directeur d’unité/le responsable de l'équipe peut indiquer ici brièvement 3 points précis sur lesquels il souhaite
obtenir l'expertise du comité.
Vague A : campagne d’évaluation 2014 – 2015
janvier 2014
Section des unités de recherche
2.3 Groupe MICMAC : Milieu Interstellaire, Cycle de la Matière, AstroChimie,
Liste des Contributeurs au bilan du groupe MICMAC
Chercheurs et enseignant-chercheurs : E. Caux (DR 17, responsable) – K. Demyk (CR 17, adjointe) - J.-P.
Bernard (DR 17) - O. Berné° (CR 17) - S. Bottinelli (MCF 34) - K. Ferrière (DR 17) - M. Giard (DR 17) - C.
Joblin (DR 17) - A. Le Padellec (MCF 30) - C. Meny (MCF 28) - D. Paradis° (AA) - I. Ristorcelli (CR 17) - H.
Sabbah° (MCF 34) - C. Vastel (AA) - A. Walters (PR 34)
Rattachement secondaire : A. J. Banday† (GAHEC) - F. Boone† (GAHEC) - P. Jean† (GAHEC) - A. Klotz†
(GAHEC) - J. Knödlseder† (GAHEC) - E. Pointecouteau† (GAHEC) - D. Toublanc† (GPPS)
ITAs : B. Bertrand (AI) - M. Boiziot (CDD) - A. Bonnamy (IR - UMS/OMP) - N. Briat (AJT) - T. Camus (AI) O. Cœur-Joly (IR) - C. Feugeade (IE) - T. Floquet (CDD) - J.M. Glorian (IE) - J. Landé* (IE) - C. Lecinana
(AJT) - S. Maestre (CDD) - C. Marty (IR) - W. Marty (Prestataire) - L. Montier (IR) - B. Mot (CDD) - D. Murat
(CDD) - J. Narbonne* (IR) - L. Noguès (IE) - C. Parisel°* (IE) - R. Pons (IR) - Y. Parot (IR) - D. Rabois (CDD)
- D. Rambaud (IR) - P. Ramon (IE) - L. Ravera (IR) - G. Roudil (IE) - A. Sauvé (CDD) - A. Sournac (CDD) T.N. Ta (CDD) - T.H. Tran (CDD) - G. Versepuech (CDD) - V. Wagebaert (CDD) - G. Willmann (CDD)
Post-Doctorants : A. Coupeaud (2008-2011) - D. Marshall (2009-2012) - D. Paradis (2010-2012) - L. Nguyen
(2011-2012) - O. Berné (2010-2012) - D. Kokkin (2012-2013) - A. Rivera-Ingraham (2012-2014) - L. Dontot
(2014 - )
Doctorants : P. Pilleri (2007-2010) - C. Engel (2008-2012) - J. Montillaud (2008-2011) - A. Bouchez (20092013) - A. Coutens (2009-2012) - A. Clénet (2011-2014) - D. Alina (2011-2015) - R. Misawa (2011-2014) Xingheng Lu (2013-2016) - D. Quénard (2013-2016) - A. Sauvé (2013-2016) - P. Terral (2013-2016) - A.
Boulais (2013-2016) - J. Champion (2014-2017) - G. Foenard (2014-2017)
° arrivée au cours de la période de référence ; * départ au cours de la période de référence ; e émérite ; § chercheur
associé ; # en détachement ; † rattachement secondaire.
2.3.1
Introduction
Le cycle de la matière joue un rôle important dans l’évolution des objets astronomiques des
petites échelles des étoiles et systèmes planétaires aux grandes échelles des galaxies. Cette matière est
intimement couplée aux photons, au champ magnétique et aux rayons cosmiques. Son étude implique
de comprendre la nature de ses constituants, leur évolution physico-chimique, la dynamique des
milieux associés et leur couplage. Grâce aux missions spatiales Herschel et Planck, ce domaine a
connu des avancées majeures ces 5 dernières années.
Notre groupe a des compétences originales, reconnues au niveau international, dans l’étude des
différents constituants de la matière: gaz, poussière et leur interaction avec le rayonnement, dans
l’étude du champ magnétique et de la polarisation de la poussière, et dans celle des rayons cosmiques.
Le champ d’applications s’étend des environnements interstellaires et circumstellaires dans notre
Galaxie et dans les galaxies extérieures. Nos objectifs s’inscrivent dans la thématique « origines »
d’Astronet et de Cosmic Vision, en nous intéressant à la structure et à l’évolution du milieu
interstellaire, à la formation des étoiles et des systèmes planétaires et à l’étude de la complexité
moléculaire. L’organisation de notre équipe comprend trois thématiques : 1) le milieu interstellaire de
notre galaxie et les galaxies proches, 2) le cycle des petites poussières carbonées et son impact sur les
régions de formation stellaire, et 3) nos origines : formation stellaire et complexité moléculaire. Cette
activité s’appuie sur :
• Une implication instrumentale forte dans les projets spatiaux Herschel et Planck, l’expérience
ballon PILOT et le programme de R&D pour l’instrument SAFARI de la possible mission future
SPICA.
• Le développement de modèles pour interpréter l’émission de la poussière et du gaz, décrire le
champ magnétique et la distribution des rayons cosmiques et simuler l’évolution physico-chimique
de la matière.
• La mise en œuvre d’une plateforme d’astrophysique de laboratoire (Plateforme Nanograins)
pour mener des études sur des analogues de la poussière interstellaire en synergie avec les
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
62
Section des unités de recherche
observations: PIRENEA pour l’étude des propriétés physico-chimiques des macromolécules et
nanograins carbonés et ESPOIRS pour la spectroscopie des grains froids. 31
Le groupe MICMAC est fortement soudé autour de l’exploitation des observations des missions
Herschel et Planck et des activités de laboratoire. L’animation scientifique se fait donc naturellement
sur la base de réunions de travail thématiques et de séminaires/journal club réguliers. Certaines
activités du MICMAC sont à l’interface avec celles du groupe GAHEC sur les amas de galaxies. Il
existe un intérêt évident à utiliser les outils de type galactiques pour l’étude de galaxies lointaines. Des
interactions sont en cours de développement avec les groupes PSE et GPPS pour l’étude des
environnements circumstellaires et des systèmes planétaires et pour les modèles de transfert de
rayonnement hors-ETL. Enfin, nous avons des collaborations actives avec le groupe SISU, par
exemple autour des méthodes de séparation aveugle de sources.
2.3.2
Le Milieu interstellaire dans notre Galaxie et les galaxies proches :
La compréhension des liens entre les propriétés du milieu interstellaire (MIS) et la formation
d’étoiles nécessite d’étudier le MIS dans des environnements variés. L’amélioration de la résolution et
de la couverture spectrale des instruments tels que Spitzer, Herschel et Planck, nous a permis
d’entreprendre des études détaillées du MIS dans notre Galaxie et les galaxies proches.
Ces travaux ont montré des variations des propriétés des poussières avec la température, la
longueur d'onde, mais aussi avec l'environnement. Notamment, le spectre d’émissivité apparaît
plus raide dans l’infrarouge lointain (FIR), comparé au domaine du submm/mm. Les régions pour
lesquelles la poussière est significativement plus froide dans la phase moléculaire que dans la phase
atomique montrent un excès de l’émissivité, pour des longueurs d’onde inférieures à 500µm
uniquement. L’analyse des données Herschel dans le cadre de la collaboration Hi-GAL nous a permis
d’identifier un excès d’émission à 500μm comparé à une simple émission de corps-noir modifié, dans
les régions périphériques internes du plan galactique (Paradis et al. 2012a), confirmé par l’analyse des
données Planck. Cet excès pourrait s’expliquer par des changements de la structure interne des grains,
avec un degré d’amorphisation des grains plus grand dans les régions périphériques que dans les
régions centrales du plan. Cette hypothèse est explorée au sein de l’équipe grâce aux travaux
expérimentaux réalisés sur le dispositif ESPOIRS de la plateforme Nanograins (cf 3.3). Nous avons
ainsi montré que le coefficient d’absorption massique κa une dépendance complexe avec la longueur
d’onde qui dépend de la structure à l’échelle submicronique du matériau (Coupeaud et al. 2011). En
outre, κ varie avec la température. L’utilisation dans les modélisations astrophysiques d’une loi
asymptotique en λ-β invariable avec la température pour représenter κ est source d’erreur sur la
détermination de la masse des nuages et de la température des grains.
L'étude de la distribution de l'émission des poussières grâce aux données Planck (Planck
Collaboration XIX, 2011) dans l'ensemble du voisinage solaire a permis de mesurer de façon précise
la quantité de gaz sombre invisible avec les traceurs classiques HI et CO dans le voisinage solaire.
Il pourrait s'agir de gaz moléculaire ne contenant pas ou peu de CO et dont la masse totale pourrait
égaler celle du gaz moléculaire connu jusqu'alors. Nos travaux basés sur l’analyse de données en
extinction dans le visible ont donné une masse du gaz sombre en accord avec celle obtenue à l’aide des
données Planck, et avec un modèle théorique de gaz H2 sombre entourant les nuages moléculaires
(Paradis et al. 2012b).
Notre équipe s’est fortement impliquée dans l’étude des nuages de Magellan, qui présentent
une faible métallicité et des conditions du MIS différentes de celles de notre Galaxie. Nos travaux ont
confirmé un spectre d’émission des poussières extrêmement plat pour le petit nuage de Magellan
(Planck Collaboration XVII, 2011), probablement dû à la présence de grains de poussière d’une
nature mécanique ou chimique différente, indiquant des différences du cycle de la poussière dans les
milieux de faible métallicité. Une analyse statistique des nuages moléculaires du LMC, importante
pour caractériser le lien entre les propriétés physiques des nuages et la formation d'étoiles, semble
confirmer la formation des très petits grains de poussière (couramment appelés VSG) dans les
environnements propices à la formation d’étoiles (Paradis et al. 2011b).
Aujourd’hui, nos travaux s’orientent sur l’analyse et l’interprétation des données en
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
63
Section des unités de recherche
Figure 10 : Le champ magnétique de la Voie Lactée vu par le satellite Planck. Les régions les plus sombres
correspondent à une émission polarisée plus forte et les stries indiquent la direction du champ magnétique projeté
sur le plan du ciel.
polarisation de Planck et bientôt de PILOT. Ces données permettent de tracer de façon unique la
géométrie du champ magnétique (Planck Collaboration 2014 soumis, voir Figure 10 ci dessus) et
apportent des informations nouvelles sur la physique de la poussière. L’annonce récente de la
détection des ondes gravitationnelles primordiales par l’équipe BICEP2 à mis en avant l’importance
de ce type de mesure pour la cosmologie et la physique fondamentale. Notre équipe joue aujourd’hui
un rôle de leader dans ce type d’analyse.
Nous étudions également la structure du champ magnétique interstellaire de notre Galaxie à
partir de mesures de rotation Faraday. Après nous être intéressés au champ magnétique dans le disque
galactique et avoir montré que ce champ ne pouvait être ni axisymétrique ni bi-symétrique, nous
cherchons maintenant à modéliser le champ magnétique dans le halo galactique. Le fait que les
galaxies spirales proches vues par la tranche présentent des champs magnétiques en forme de X dans
leur halo suggère que le halo de notre propre Galaxie possède lui aussi un champ magnétique de cette
forme, hypothèse que nous cherchons à tester. Nous avons développé des modèles analytiques de
champ magnétique en forme de X (Ferrière & Terral 2014), utilisés pour construire des cartes
synthétiques de mesures de rotation Faraday. La confrontation de ces cartes synthétiques avec les
cartes observationnelles existantes devrait permettre de poser des contraintes sur l'existence et, le cas
échéant, sur les propriétés d'un champ magnétique en forme de X dans le halo de notre Galaxie.
2.3.3
Le cycle des petites poussières carbonées et son impact sur les régions de
formation stellaire
Le spectre infrarouge (IR) et millimétrique des régions de formation d'étoiles est dominé par
l’émission de différents types de grains chauffés par le rayonnement ultraviolet des étoiles massives:
les hydrocarbures polycycliques aromatiques (PAH), des très petits grains (VSG, very small grains)
probablement carbonés (taille jusqu'à quelques dizaines de nanomètres) et des grains de silicates (taille
de l'ordre de 0.2 µm). Les PAH ont été proposés pour rendre compte de l'émission dans les bandes IR
entre 3 et ~20 µm (Aromatic Infrared Bands, AIB) et peuvent contenir jusqu'à 20% du carbone
cosmique. Seules les propriétés génériques de ces PAH sont admises grâce aux travaux de laboratoire
et aux travaux de modélisation des observables astrophysiques mais aucune espèce individuelle n'a pu
être identifiée à ce jour.
Notre équipe combine observations, expériences de laboratoire et travaux de modélisation afin
de mieux caractériser la population des PAH, leur formation, leur évolution en fonction des conditions
locales et leur lien avec les grains carbonés. En analysant l'évolution spatiale du spectre des AIB
(données des satellites ISO et Spitzer) nous avons montré que l'état de charge des PAH évolue et que
ces PAH proviennent de la destruction de VSG sous l'action des photons UV. L'abondance du
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
64
Section des unités de recherche
Figure 11 : Molécule de C60 superposée à
l'image du télescope Hubble de la nébuleuse
NGC 7023 dans laquelle l'ion C60+ a été
détecté (Berné et al. 2013).
carbone dans ces VSG peut être utilisée comme traceur du champ UV local (Pilleri et al. 2012).
L'ajustement du spectre des AIB et la détermination du champ UV sont faits avec l'outil PAHTAT
(PAH Toulouse Astronomical Templates) que nous avons mis à disposition de la communauté. D'autre
part, nous avons montré que l'évolution de la charge des PAH influe sur le chauffage du gaz par effet
photoélectrique. La détection des fullerènes, C60+ qui a suivi celle de C60 dans la nébuleuse par
réflexion NGC 7023 (Berné et al. 2013, Figure 11 ci dessus) renforce l'idée de l'existence de grandes
molécules carbonées en phase gazeuse chauffées stochastiquement par l'absorption de photons UV, et
d'une évolution photochimique de ces espèces. Finalement, de façon tout à fait inattendue, nous
avons pu extraire des cartes de la mission Planck une émission millimétrique dite « anormale »
présente dans tout le plan de notre Galaxie et dont le spectre confirme des tailles inférieures à 6 ou 5
nanomètres pour les PAHs interstellaire qui en sont à l’origine (Planck Collaboration XXI, 2011).
Pour avancer dans l'analyse des observations, nous nous étudions les propriétés d'analogues en
laboratoire de PAH et de VSG interstellaires que sont les agrégats de PAH et les agrégats mixtes
PAH-fer. Il s’agit en particulier d’étudier la stabilité de ces espèces au rayonnement UV (Simon &
Joblin 2009) et de caractériser leurs propriétés spectrales indispensables pour toute identification
(Simon & Joblin 2010). Les études menées mettent en jeu le dispositif d'astrophysique de laboratoire
PIRENEA de la Plateforme Nanograins, des expériences sur la ligne DESIRS du synchrotron SOLEIL
dans le cadre de l'ANR GASPARIM et des travaux théoriques par les collaborateurs du LCPQ à
Toulouse. Un modèle d'évolution physico-chimique des PAH dans les conditions astrophysiques a été
développé. Il prédit la destruction des PAH de moins de 60-70 atomes de carbone pour former des
agrégats carbonés (Montillaud et al. 2013), ce qui donne une voie pour la formation du C60.
L'analyse détaillée du profil des AIB est un problème complexe car il faut prendre en compte
à la fois la diversité moléculaire (effet de mélange) et les paramètres moléculaires comme la rotation et
l'anharmonicité mis en jeu dans l'émission de PAH à haute température. Pour avancer sur ces
questions nous menons un effort instrumental en développant un spectromètre sensible pour mesurer
le spectre d'émission IR de PAH en ambiance cosmique dans la chambre PIRENEA et nous
contribuons à l'effort de modélisation des spectres. D'autre part, Herschel a ouvert la voie de
l'identification de PAH par leurs vibrations dans l'IR lointain. Néanmoins la détection de ces bandes
faibles est un vrai challenge. Dans cet objectif, nous avons mené plusieurs programmes d'observations
en poussant les performances des instruments d’Herschel dont les résultats sont en cours d'analyse.
Les signatures électroniques dans le domaine visible sont une autre voie pour identifier les PAH
interstellaires par comparaison avec les bandes interstellaires diffuses (DIB). Le sujet se heurte
néanmoins à la difficulté à étudier en laboratoire la spectroscopie de PAH ionisés et de leurs photofragments. Nous avons montré comment l'expérience PIRENEA peut être mise à profit dans ce sujet
(Useli-Bacchitta et al. 2010).
L'étude interdisciplinaire des PAH interstellaires est un sujet très actif où notre équipe et ses
collaborateurs occupent une place importante. Ce travail a donné lieu à l'organisation d'un symposium
international en 2010 à Toulouse, PAHs and the Universe: a symposium to celebrate the 25th
anniversary of the PAH hypothesis (C. Joblin and A.G.G.M. Tielens Eds, EAS Pub Series, Vol. 46,
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
65
Section des unités de recherche
2011). Il est soutenu par l'Europe dans le cadre du projet ERC Synergy Nanocosmos avec le CSIC à
Madrid (2014 – 2020).
2.3.4
Nos origines : formation stellaire et complexité moléculaire.
Les mécanismes en jeu au cours des différentes étapes de la formation stellaire ne sont toujours
pas bien compris aujourd’hui. Nous étudions ces phases afin de caractériser les processus menant à la
formation d’une étoile comme notre Soleil à partir d’un nuage de gaz et de poussières. Un point que
nous explorons plus particulièrement est l’étude de la relation entre les propriétés des cœurs froids préstellaires et la formation d’étoiles sur les plans physique/dynamique et chimique. L’émission de la
poussière, la deutération et la complexité moléculaire sont en particulier utilisés pour sonder les
phases froides et denses de la formation stellaire.
Nous nous sommes beaucoup investis dans la réduction et l’exploitation de relevés spectraux
obtenus à partir de télescopes sols (relevé TIMASSS avec IRAM-30m, JCMT, APEX – Caux et al.
2011) et de l’observatoire spatial Herschel (programmes CHESS, HEXOS et PRISMAS). Les relevés
CHESS ont notamment permis d’établir un recensement des espèces chimiques présentes dans les
différents types de proto-étoiles visées (faible masse, masse intermédiaire, massive – Caux et al. in
prep., Kama et al. 2010) ainsi qu’en direction d’un cœur pré-stellaire de référence (Vastel et al. 2012).
Ce travail est approfondi via des études détaillées d’un certain nombre d’espèces (Vastel et al. 2010,
Coutens et al. 2012, 2013a,b, Bottinelli et al. 2014) et via des comparaisons inter-sources qui débutent
à l’heure actuelle. Un résultat notable est la mise en évidence, grâce à l’observation de transitions en
absorption, de la présence des nuages fossiles qui auraient donné naissance à deux des objets étudiés
(IRAS16293-2422 et OMC2-FIR4), et leur caractérisation. Le programme PRISMAS a permis
d’observer un grand nombre d’espèces moléculaires en direction de régions de formation d’étoiles
massives. Notre groupe est impliqué dans l’étude des molécules deutérées, notamment d’eau deutérée
dans ces régions (Coutens et al. 2014, soumis).
Dans la poursuite de cet effort, un large programme d’observation visant à obtenir des relevés
spectraux dans le domaine millimétrique de cœurs pré-stellaires et proto-étoiles à différents stades
d’évolution est en cours avec l’IRAM-30m (Large Programme ASAI); les données sont en cours
d’analyse et notre groupe est responsable de deux sources. L’identification spectrale ne peut se faire
sans un important travail de spectroscopie de laboratoire permettant d’établir la liste des fréquences et
des intensités des transitions d’espèces potentiellement détectables. Une thèse interdisciplinaire
(spectroscopie moléculaire et astrophysique observationnelle) a permis la mesure en laboratoire du
spectre d’isotopolo-gues de molécules organiques complexes et leur recherche dans les relevés
spectraux de régions de formation stellaire suite à des demandes ciblées d’observation à l’IRAM-30m
et au CSO (Bouchez et al. 2012). Notre équipe collabore activement avec des spectroscopistes de Lille,
de Cologne et du JPL afin de sélectionner les espèces à étudier en laboratoire pouvant expliquer la
présence de raies non identifiées.
Parallèlement, le relevé Planck de l’émission des poussières nous a permis d’établir pour la
première fois un recensement non-biaisé de la composante froide galactique: plus de 10 000
sources froides ont été détectées dans différents environnements de la Galaxie. Les sources détectées
(coeurs et condensations froides) couvrent une grande variété de propriétés physiques (en température,
masse, taille et densité) et sont probablement de nature ou de degré d’évolution différents, incluant les
phases les plus précoces de la formation stellaire. Nous avons été particulièrement actifs dans la
construction du catalogue produit ‘C3PO’ et l’analyse associée (Planck Collaboration 2011, 7, 22 &
23, Planck collaboration 2014, soumis).
Des observations de suivi avec Herschel ont été effectuées sur un échantillon représentatif
de cette population (~350 sources), dans le cadre du programme-clé « Galactic cold cores ».
Plusieurs études statistiques ont été menées en liaison avec un certain nombre de questions clés sur la
formation stellaire (spectre de masse des cœurs froids et relations à l’IMF, distribution spatiale dans la
Galaxie et propriétés physiques en fonction de l’environnement galactique, degré d’évolution, nature
et origine des cœurs froids). Les cartes Herschel (PACS et SPIRE) montrent la présence de
nombreuses sous-structures avec dans 50% des champs des structures en filaments auto-gravitants,
fragmentés en un certain nombre de cœurs denses et froids (≤ 7K). Des sources compactes chaudes,
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
66
Section des unités de recherche
probablement de jeunes étoiles en formation encore enfouies dans leur enveloppe froide sont
également mises en évidence (avec WISE). La largeur des filaments varie de manière anti-corrélée
avec la densité, comme le prédisent les modèles de filaments hydrostatiques, isothermes, ou de cœurs
gravitationnellement liés enfouis. La question de l’origine des coeurs est donc étroitement liée à celle
de la formation et de l’évolution des filaments, avec le besoin de mieux comprendre les rôles
respectifs de la turbulence, de la gravité, de la pression thermique et du champ magnétique. Nous
avons également caractérisé statistiquement une variation des propriétés des grains (émissivité et
opacité) du milieu diffus vers le milieu dense et froid. Par comparaison aux prédictions des modèles de
grains, et aux résultats obtenus en laboratoire sur des analogues de grains, nous les interprétons ensuite
en tenant compte des processus liés à ces environnements (formation d’agrégats de grains et de
manteaux de glace, transitions basse-énergie par effet two-level system). Cette analyse permet de
mieux contraindre le coefficient d’absorption massique κ des grains dans ces milieux, paramètre clé à
partir duquel est déterminée la masse des cœurs froids.
2.3.5
Développements instrumentaux
Les compétences techniques développées par les chercheurs et ingénieurs du groupe MICMAC
concernent à la fois la conception et la mise en œuvre de missions spatiales ou sub-orbitales (ballons)
d'astronomie “basse énergie” (i.e. IR et sub-mm), et la réalisation de sous-systèmes électroniques
hautement intégrés pilotant les plans détecteurs et amplifiant leurs signaux mesurés (i.e. “backends”).
Le groupe MICMAC a beaucoup contribué aux développements des instruments HIFI de
l’Observatoire Spatial Herschel et HFI de la mission Planck. Ces deux missions ayant été lancées
conjointement en mai 2009, il n’y a pas eu d’activité “instrumentale” à proprement parler sur ces 2
projets dans la période 2009-2014, mais toujours un fort investissement du groupe dans l’étalonnage
en vol des instruments, le traitement des données (tous niveaux) et la fourniture de logiciels intégrés
aux chaines de traitement et d’analyse des données.
L’objectif de l’expérience sous ballon stratosphérique PILOT (PI J.-P. Bernard, IRAP) est de
mesurer à 240 et 550µm l'émission polarisée des grains de poussière interstellaires à grande échelle
dans la Galaxie, les nuages diffus et les galaxies proches, avec une sensibilité inégalée. PILOT
constitue un lien entre Planck et CORE, futur projet spatial dédié à la mesure et la caractérisation de
l’émission polarisée du CMB et à la recherche des ondes gravitationnelles primordiales. PILOT est
financé par le CNES, et regroupe des contributions de l’IRAP, de l’IAS et de plusieurs laboratoires
Européens. L’instrument est actuellement en cours d’étalonnage au CNES Toulouse et à l’IRAP. Son
premier vol est prévu en 2015.
Dans l'avenir, la sensibilité et le nombre de détecteurs sont les deux paramètres clefs qui
permettront de répondre aux défis posés par les missions envisagées dans le programme Cosmic
Vision de l'ESA: SPICA et CORE pour le moyen terme (ils seront tous deux proposés à l’ESA dans la
compétition pour la mission M4 pour un lancement en 2024), et une participation possible à un
interféromètre FIR spatial (FIRI), ou à un projet de grande antenne dans le FIR (TALC ou MMSO)
pour le plus long terme.
Une action de R&D est menée depuis six ans avec le SRON (NL) et l'Université de Cardiff
(UK) sur les systèmes de lecture multiplexés en fréquence pour les matrices de bolomètres supraconducteurs (TES) pour la mission SPICA. Elle se traduit sur le moyen terme par une participation
possible à la réalisation de l'instrument SAFARI de SPICA. L’IRAP a la responsabilité de coordonner
l'ensemble des participations françaises à la mission SPICA (instrument SAFARI, Co-PI M. Giard,
IRAP). Avec un télescope de 3 mètres de diamètre et une optique entièrement refroidie à quelques
degrés Kelvin par un ensemble de machines cryogéniques, SPICA pourrait succéder à Herschel avec
une sensibilité 10 à 100 fois supérieure. Ses objectifs principaux dans les thématiques du MICMAC
sont d'analyser par spectro-imagerie la matière cosmique, molécules et grains, au sein des disques et
systèmes protoplanétaires et des galaxies distantes.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
67
Section des unités de recherche
2.3.6
Simulations numériques
Notre groupe développe et utilise des codes relativement lourds en ressources lorsqu’il s’agit de
décrire l’interaction matière-rayonnement et la modélisation des objets astrophysiques:
Nous avons développé le logiciel CASSIS (Centre d’Analyse Scientifique de Spectres
Instrumentaux et Synthétiques, http://cassis.irap.omp.eu/) qui permet d’analyser les raies du gaz des
relevés spectraux à haute résolution en provenance des télescopes du sol et spatiaux. CASSIS utilise
actuellement des modèles ETL et LVG et est connecté au portail Virtual Atomic and Molecular Data
Center (VAMDC). Nous travaillons au couplage de CASSIS avec des codes de transfert radiatif
comme RATRAN (1D) et LIME (3D), ainsi qu’avec le modèle de chimie gaz-grain NAUTILUS,
développé au LAB (Observatoire Aquitain des Sciences de l’Univers, Bordeaux).
Pour analyser les bandes aromatiques infrarouges en émission, nous avons développé l'outil
PAHTAT (PAH Toulouse Astronomical Templates, http://userpages.irap.omp.eu/~cjoblin/PAHTAT)
qui permet de déterminer les paramètres physiques des régions observées. En collaboration avec G.
Mulas (Observatoire de Cagliari, INAF), nous développons un modèle d'émission de ces bandes dans
les environnements astrophysiques en utilisant des paramètres moléculaires calculés par des méthodes
de chimie quantique. Enfin nous avons mis au point un modèle d'évolution chimique des PAH en
utilisant les résultats des expériences menées avec le dispositif PIRENEA de la Plateforme
Nanograins. Les codes PAH utilisent nos bases de données PAH connectées au portail VAMDC:
Theoretical
spectral
database
of
polycyclic
aromatic
hydrocarbons
(http://astrochemistry.ca.astro.it/database/pahs.html), et Cosmic PAH analogues: experimental
properties and kinetics (mise en ligne prévue prochainement).
Nous participons au développement du code public d’émission de la poussière DustEM, labélisé
en 2014 (http://dustemwrap.irap.omp.eu/), incluant l’émission dans le sub-mm, la polarisation et la
rotation des grains (Compiègne et al., 2011). L’outil DustEM_wrap, développé dans son intégralité à
l’IRAP, est une interface de minimisation modèle/données. Il permet, entre autre, la modélisation
automatisée des SEDs extraites des cartes d’émission étendues (IRAS, COBE, Planck, Herschel,
PILOT…) et/ou de données spectrales dans l’infrarouge moyen-lointain et submillimétrique (Spitzer,
FIRAS, SOFIA, ALMA…), à l’aide des modèles de poussières les plus récents.
Ces outils sont mis à disposition de la communauté via des tâches de services labélisées ou en
cours de labélisation au sein du Centre de Compétences Régional de l’OMP OV-GSO.
2.3.7
Astrophysique de laboratoire
Nous avons mis en place et développons la Plateforme Nanograins pour les études
d’astrophysique de laboratoire dédiées à la poussière cosmique. Il s’agit d’une des plateformes
expérimentales de l’OMP dont l’activité scientifique est soutenue au niveau national par le PN PCMI,
par l’OMP (financement FEDER) ainsi que par des contrats ANR (Cold Dust, CIMMES,
GASPARIM). Elle est composée des dispositifs PIRENEA (physico-chimie des macromolécules
PAH et nanograins dans des conditions proches de celles rencontrées dans le milieu interstellaire) et
ESPOIRS (propriétés spectroscopiques dans le domaine IR et sub-mm d’analogues des grains
interstellaire à base température). Son exploitation met en jeu des collaborations fortes avec des
physico-chimistes de l’Université de Toulouse (IRSAMC: LCPQ, LPCNO et LCAR et LAPLACE).
L’obtention cette année de l’ERC Synergy Nanocosmos (PIs J. Cernicharo, CSIC Madrid, C. Joblin,
CNRS-IRAP, et J. A. Martín-Gago, CSIC Madrid), pour une durée de 6 ans, va être un véritable
tremplin pour l'activité de cette plateforme.
Nous participons (A. Le Padellec) depuis 2004 à la collaboration AGAT (K. Béroff, Institut des
Sciences Moléculaires d’Orsay & M. Chabot, Institut de Physique Nucléaire d’Orsay), qui étudie les
agrégats de carbone et d’hydrocarbone. AGAT est unique pour mesurer les rapports de branchement
des hydrocarbures en utilisant la méthode des collisions à haute vitesse en cinématique inverse. Nous
nous sommes intéressés à la mesure des sections efficaces de production d'anions dans des collisions
entre agrégats de carbone Cn+ et Cn (n <= 5) et des atomes d'hélium à haute vitesse (Béroff et al., 2013).
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
68
Section des unités de recherche
2.3.8
Rayonnement et attractivité académiques
Les chercheurs du groupe MICMAC sont très lourdement impliqués dans chacune des
collaborations internationales liées à préparation, la mise œuvre ou l’exploitation scientifique des
missions spatiales du domaine infra-rouge et submillimétrique : Herschel, Planck et SPICA (plusieurs
centaines de chercheurs et d’ingénieurs répartis sur plusieurs dizaines d’instituts en Europe, aux USA
et au Canada). Nos responsabilités les plus importantes ont concerné le CoPi-ship de l’instrument
hétérodyne HIFI de Herschel, le suivi en vol et l’étalonnage fin des électroniques de pilotage de
l’ensemble du plan focal refroidi à 100 mK de HFI (Planck), et la coordination de plusieurs thèmes
scientifiques ainsi que la rédaction de plusieurs résultats scientifiques majeurs. Pour ce qui concerne la
mission spatiale SPICA en collaboration avec le Japon, celle ci reste encore en préparation. Nous
coordonnons l’ensemble des contributions françaises à la mission, et notre responsabilité à
l’instrument SAFARI est celle de CoPi.
Au cours de la période évaluée avons eu la responsabilité de deux projets nationaux financés par
l’ANR (GASPARIM 2010-2014, CIMMES 2014 – 2016) et nous avons participé à trois autres projets
ANR (Cold Dust 2008-2011, FORCOMS 2009-2012, QUBIC 2011-2015). Nos projets ont bénéficié
du soutien régulier du programme national PCMI (13 projets financés pour un total de 237 k€). Sur le
plan régional, nous animons le Chantier 3PC financé par la fondation STAE dont le but est de
rapprocher les communautés astrophysique (IRAP) et plasmas (LAPLACE) du campus toulousain
autour de l'étude des plasmas poussiéreux. Récemment ce chantier a donné lieu au financement du
projet 3PCKeys (2014 2016). Dans le cadre du premier AO « émergence » de l’IDEX de Toulouse,
nous venons d’obtenir le financement du projet STOP (Spectral Tools Platform). Sur le plan européen
l’ERC vient de nous accorder le financement du projet Nanocosmos (2014-2020) sélectionné dans le
cadre de l’AO « synergies ». ). Ce projet ambitieux financé à hauteur de 15 M€ (4.2 M€ CNRS) est
réalisé en partenariat avec deux équipes de Madrid (CSIC-ICMM).
Au cours de la période évaluée nous avons organisé une grande conférence internationale
"PAHs and the Universe: a Symposium to celebrate the 25th anniversary of the PAH hypothesis" (31
mai - 4 juin 2010), Toulouse. Nous avons co-organisé avec le LERMA et l’IAS la conférence ECLA :
European Conference on Laboratory Astrophysics" (26-30 Sept. 2011), Paris. Par ailleurs nous avons
organisé plusieurs ateliers de travail nationaux ou internationaux : Ateliers « Grains-Plasma » 6 mars
2012 au LAPLACE et 24-25 juin 2013 à l’IRAP, Toulouse ; Consortium SAFARI/SPICA à Toulouse
en septembre 2011 ; Ateliers CASSIS à l’IRAP en 10/2012 et 04/2013 ; “Galactic cold cores
workshop”: 17-19 Avril 2013, IRAP ; Atelier SF2A sur les champs magnétiques interstellaires, 5-6
juin 2013, Montpellier.
Une dizaine de chercheurs étrangers (Allemagne, Russie, Japon, Canada, Croatie, Chine,
Espagne, Finlande, USA) ont été invités à l’IRAP pour des séjours d’une durée allant de 1 à 3 mois.
En plus de l’activité habituelle de « referee » pour les journaux scientifiques de rang A, la quasi
totalité de nos chercheurs et enseignants chercheurs sur postes permanents prennent des responsabilité
ou s’implique dans des missions d’expertise pour les instances de nos tutelles, de nos agences de
moyen, de financement ou d’évaluation, ainsi que dans les jurys de recrutement ou de sélection en
France comme à l’étranger.
Pour une liste détaillée des activités du groupe MICMAC contribuant à son rayonnement et son
attractivité on pourra consulter le document joint en Annexe:
ANNEXE_J_complements_MICMAC.pdf.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
69
Fiche synthétique GAHEC
Présentation synthétique du Groupe
« Galaxies, Astrophysique des Hautes Energies,
Cosmologie »
GAHEC
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
___________________________________________________________________________________________
Intitulé de l’entité : Groupe thématique Galaxies, Hautes Énergies et Cosmologie (GAHEC)
Nom du responsable de l’équipe pour le contrat en cours : R. Pello (2013 – 2015) et D. Barret (2011 - 2013)
Nom du responsable pour le contrat à venir : TBD
___________________________________________________________________________________________
Effectifs de l’entité (au 1er janvier 2011, création de l’IRAP).
18 enseignants-chercheurs ; 6 chercheurs ; 7 post-docs ; 10 doctorants
Personnels ayant quitté l’entité pendant le contrat en cours (et nombre de mois cumulés passés dans l’entité au
cours de cette période).
1 PREM (24 mois) ; 8 Post-doctorants (192 mois) ; 10 Doctorants (240 mois)
Nombre de recrutements réalisés au cours de la période (2011 – 2014) et origine des personnels
6 recrutements chercheurs et enseignants chercheurs : F. Boone (AA, mutation LERMA) ; N. Bouché (CR
2012,
postdoc IRAP) ; M. Coriat (AA 2014, postdoc en Afrique du Sud) ; A. Dupays (MdC, mobilité campus toulousain) ; B.
Lamine (MdC 2013, ancien MdC à Paris) VI) ; P. Martin (CR 2012, postdoc IPAG) ; 9 Post-doctorants ; 13 Doctorants
___________________________________________________________________________________________
Réalisations et produits de la recherche au cours de la période écoulée :
1) Découverte du premier trou noir de masse intermédiaire (HLX-1), et caractérisation multi-longueur d'onde de cette
source exceptionnelle (e.g. Farrell et al. 2009 et Webb et al. 2012).
2) Contribution majeure à la détection, l’identification et la caractérisation d’amas de galaxies à différents redshifts
grâce au relevé Planck. Production et validation des premiers catalogues d'amas détectés via l'effet Sunyaev Zel'dovich
(Planck Col. VIII 2011, Planck Col. XXIX 2013).
3) Participation à la réussite de l'instrument MUSE pour le ESO/VLT. Ce spectrographe 3D permettra des avancées
majeures dans la compréhension de le formation et l'assemblage des galaxies (Bacon 2014).
4) Construction du catalogue de sources gamma pour le satellite FERMI/LAT (~100 MeV–100 GeV) (Abdo et al. 2010). Ce relevé a
montré la prééminence des pulsars en tant que sources galactiques, ainsi que l'existence de nouvelles classes d'émetteurs gamma (e.g.
Ackermann et al. 2012).
5) Réalisation de l'instrument Booth pour le projet Eusoballoon (von Ballmoos et al. 2013) destiné à l'observation des
rayons cosmiques d’ultra-hautes-énergies (jusqu'à 1020 eV). Le premier vol vient d'être réalisé avec succès en aout
2014.
_________________________________________________________________________________________
Bilan quantitatif des publications de l’entité.
Vague A : campagne d’évaluation 2014 – 2015
janvier 2014
Fiche synthétique GAHEC
Sur la période 2009-2014, la production scientifique du groupe totalise plus de 800 articles de rang A
(dont 7 articles à Nature et 23 à Science), avec plus de 33000 citations (h-index=92).
___________________________________________________________________________________________
5 publications majeures.
- Ade et al. (2013), dont A.J. Banday, O. Forni, L. Montier, et E. Pointecouteau (auteur correspondant). Planck
intermediate results. V. Pressure profiles of galaxy clusters from the Sunyaev-Zeldovich effect, A&A 550, A131
- Farrell, S. A., N. A. Webb, D. Barret, O. Godet and J. M. Rodrigues (2009). An intermediate-mass black hole of over
500 solar masses in the galaxy ESO243-49. Nature, Volume 460, pp. 73-75
- Abdo et al. (2010), dont M. H. Grondin, J. Knödlseder (auteur correspondant), et N. Vilchez. Fermi Large Area
Telescope First Source Catalog. The Astrophysical Journal Supplement 188, pp. 405-436.
- Queyrel J., et al. (2012), dont Contini, T., B. Epinat, J. Moultaka, et E. Perez-Montero. MASSIV: Mass Assemby
Survey with SINFONI in VVDS. II. Evidence for positive metallicity gradients in z ~ 1.2 star-forming galaxies.
Astronomy & Astrophysics, Volume 539, id.A93
- E. Churazov, R. Sunyaev, J. Isern, J. Knödlseder, P. Jean, et al. (2014). First detection of 56Co gamma-ray lines
from type Ia supernova (SN2014J) with INTEGRAL. Nature 512, 406-408.
___________________________________________________________________________________________
3 autres documents majeurs
- Coordination de la proposition et White Paper pour la mission spatiale ATHENA, sélectionnée par le SPC de l’ESA en
2014 pour être la seconde grande mission (L2) du programme scientifique Cosmic Vision.
- Logiciel de traitement du signal et d'analyse scientifique pour l'observatoire Cherenkov Telescope Array (CTA), avec
la mise en œuvre de codes génériques OpenSource pour l'analyse de données haute énergie (GammaLib,
http://gammalib.sourceforge.net/) et spécifiques à CTA (ctools, http://cta.irap.omp.eu/ctools/)
- G. Soucail est responsable du groupe de travail "Enseignement et diffusion des connaissances" de la prospective
2015-2020 de l'INSU pour l'astronomie-astrophysique et de la rédaction du document.
___________________________________________________________________________________________
5 faits illustrant le rayonnement ou l’attractivité académiques
- Rattachement au LabEx OCEVU « Origine, Constituants et Evolution de l’Univers », https://www.labexocevu.univ-amu.fr. (10 projets acceptés, 5 doctorants, 1 post-doc.
- 6 projets ANR : AGACTS, EPAMASSTAT, FOGHAR, MULTIVERSE, TG_REGALDIS et une « chaire d'excellence » ;
2 projets FP7 ; Responsabilité de collaborations internationales associées à des instruments avec une contribution
scientifique ou technique importante du GAHEC (APPEX, ATHENA X-IFU, CTA, EUCLID, FERMI, MUSE, NUSTAR, SVOM,
XMM-NEWTON),
- Au moins 15 membres du GAHEC ont participé régulièrement à des expertises au niveau national (principalement
CNU, section astronomie du CNAP, section 17 du CNRS, ANR et AERES) et international (principalement des agences de
moyens ainsi que des TAC de télescopes et satellites).
- Au moins 19 membres du GAHEC ont fait partie d'un SOC pour l'organisation de conférences internationales.
- Prix et distinctions : D. Barret (Prix 2013 "Le goût des sciences" du MESR pour l'action de l'association "Les étoiles
brillent pour tous") ; A. Blanchard (UF Senior 2009-2014) ; N. Laporte (Prix Maury de l’Académie des Sciences de
Toulouse en 2013) ; G. Soucail (Palmes académiques en 2009).
_______________________________________________________________________________
4 faits illustrant les interactions avec l'environnement socio-économique ou culturel.
- Contrats industriels au niveau régional (MICROTEC, MECANO-ID, EPSILON, PRECISION MIDI PYRENEES, AS+, NEXEYA,
LUMEAU) et national (SAGEM, HYPERTAC, AXON SYSTRONIC SAPRATIN) pour SVOM-ECLAIRs, et avec Dolphin Integration
Grenoble pour la mission LOFT.
- Forte implication des membres du GAHEC dans l'association Les étoiles brillent pour tous -(www.ebpt.fr),
organisant des conférences et animations accessibles à tous autour des SDU (membres fondateurs).
- Expositions : "Rayons Cosmiques 2012 » au Pic du Midi (R . Cabanac, 64000 visiteurs). Exposition « photo-musicale »
« De l'infiniment grand à l'infiniment petit : Histoires de notre Univers » (2010 ; J. Moultaka). Projet « Averse » au sein
de l'exposition « Perturbations » aux Abattoirs (2014 ; P. Von Ballmoos en collaboration avec l'artiste C. BoursierMougenot).
- De nombreux jeunes chercheurs et doctorants du GAHEC ont participé tout au long de la période à l'organisation du
Festival d’Astronomie Astro-Jeunes de Fleurance (Gers).
_______________________________________________________
Principales contributions de l’entité à des actions de formation :
La majorité des scientifiques du GAHEC sont des enseignants-chercheurs fortement impliqués dans les enseignements
de l'UPS et exercent des responsabilités à tous les niveaux, notamment dans les filières de master : M2R ASEP (G.
Soucail); M1 Physique est Astrophysique, parcours Astrophysique et Techniques Spatiales (P. Jean); M2P TSI (P. Von
Ballmoos); Master Erasmus Mundus "SpaceMaster" (P. Von Ballmoos et G. Soucail pour l'UPS); Master conjoint
UPS/Universidade do Porto (A. Blanchard). P. Jean est membre de la commission d'attribution des contrats doctoraux
de l'Ecole doctorale SDU2E. G. Soucail a mis en place le service éducatif de l'OMP. F. Boone a mis en place un radiotélescope destiné à l'enseignement. B. Lamine a mis en place des méthodes pédagogiques participatives innovantes.
Vague A : campagne d’évaluation 2014 – 2015
janvier 2014
Section des unités de recherche
2.4 Groupe GAHEC :
Galaxies, Astrophysique des Hautes Energies, Cosmologie
Liste des Contributeurs au bilan du groupe GAHEC
Chercheurs et enseignant-chercheurs : R. Pello (A, responsable) - D. Barret (DR 17, adjoint) - J.L. Atteia
(A) – A. J. Banday (DR 17) - R. Bazer-Bachi* (P 34) - R. Belmont (MdC 34) - A. Blanchard (P 34) - F. Boone°
(AA) – N. Bouché° (CR 17) – R. Cabanac (AA) - T. Contini, (DR 17) – M. Coriat° (AA) – E. Davoust e (A) - J.P.
Dezalay (MdC 34) – A. Dupays° (MdC 30) - O. Godet (MdC 34) - P. Jean (P 34) - A. Klotz (P 34) – J.
Knödlseder (DR 17) – B. Lamine° (MdC 34) - J. F. Le Borgne (A) - J. Malzac (CR 17) - P. Martin° (CR 17) - J.
Moultaka (AA) – J.F. Olive (P 34) - E. Pointecouteau (CR 17) – G. Soucail (A) - P. von Ballmoos (P 34) – N.
Webb (AA) ; Rattachement secondaire : E. Caux (MICMAC), M. Giard (MICMAC), O. Forni (GPPS), K.
Ferrière (PSE), P. Fouqué* (PSE), L. Koechlin (SISU), A. Le Padellec (MICMAC), J.P. Perez (SISU) ;
Associés : F. Lamareille§, D. Schaerer§ (P, U. de Genève)
ITAs : C. Amoros (IE) – A. Baudrimont (IE) - B. Bertrand (IE) - E. Bourrec (IE) - S. Brau-Nogué (IR) - N. Briat
(AJT) - P. Couderc (AI) - A. Cros* (IR) - M. Dupieux (IR) – C. Gaïti (TCN) - N. Girard (CDD) - T. Gharsa*
(AI) – D. Granat (TCS) - B. Houret° (IE) – K. Lacombe (IR) – J. Lande* (IE) - M. Larrieu (IR) – E. Lecomte
(AI) – T. Louge (AI) - P. Maeght (AI) – P. Mandrou* (IR) - L. Montier (IR) – E. Moutaye (CDD) - J.
Narbonne* (IR) - Y. Parot° (IR) - L. Parès (IR) – J. Platzer (IR) – R. Pons (IR) – D. Rambaud (IR) – P. Ramon
(IGE) - L. Ravera (IR) – G. Rouaix (IR) - A. Sournac (CDD) - H. N. Ta (CDD) - H. Valentin (IE) - V.
Waegebaert° (IE) - N. Yerle (CDD)
Post-Doctorants : M. Bachetti (2011 - ) - P. Bielewicz (2009-2012) - N. Bouché (2011- 2012) - T. Brandt
(2010–2011) – S. Drapeau (2013 - ) - B. Epinat (2008-2011) - L. Ferramacho (2010-2011) – H. Finley (2014 - )
- I. Flores-Cacho (2011-2014) - M.-H. Grondin (2012–2013) - M. Hayes (2010-2013) – S. Ilic (2013- ) - T. Jaffe
(2009- ) - D. Lin (2009-2012) - D. Pierini (2014-2017) - M. Roncarelli (2006-2010) - I. Zolotukhin (2012- )
Doctorants : A. Alexis (2010–2014) – R. Artigue (2010-2013) - D. Bina (2013-2016) – M. Bonamigo (20132016, avec LAM) - M. Boutelier (2005-2009), C. Catalano (2012–2015) - D. Castagné (2008 - 2011) - A. Clénet
(2012-2014) - P. Delsart (2008-2011) - C. Divoy (2011- 2014) – G. Foex (2007-2011) - A. Gérou (2013-2016,
avec ESO) - T. Grégoire (2010– 2013) - V. Heussaff (2012–2015) - J. Lanoux (2008-2012) - N. Laporte (20092012) – A. Maizy (2008-2011) – G. Nasser (2011–2014) - T. Anh Pham (2011-2014) - B. Pancrazi (2008-2011)
– P. Peille (2013 - 2016) - J. Queyrel (2007-2010) – N. Remoué (2007–2010) - I. Schroetter (2013-2016) - B.
Singaravelu (2012 -2015) - D. Turpin (2013-2016) - N. Vilchez (2007-2010)
° arrivée au cours de la période de référence ; * départ au cours de la période de référence ; e émérite ; § chercheur
associé ; # en détachement ; † rattachement secondaire.
2.4.1
Introduction
Le GAHEC est un jeune groupe thématique né de la fusion des anciennes équipes Cosmologie
et Galaxies du LATT et du département Hautes Energies du CESR. Ses activités s'articulent autour de
quatre grands axes qui constituent autant de lignes directrices combinant les savoir-faire des anciennes
équipes :
• Cosmologie et Physique Fondamentale
• Galaxies et Grandes structures
• Astrophysique des Objets Compacts
• Accélération de Particules et Phénomènes Explosifs
Des chercheurs du GAHEC contribuent également aux Actions Pluridisciplinaires suivantes :
• Physique fondamentale, Astroparticules et Cosmologie
• Plasmas Astrophysiques
Le groupe combine des expertises en instrumentation sol et spatiale, en observations multilongueurs d’ondes, en modélisation, et en théorie. Il évolue au sein de grandes collaborations
nationales et internationales dans lesquels il joue un rôle souvent moteur (ex : MUSE, CTA, Athena).
Le GAHEC est le seul groupe thématique de l’IRAP rattaché à un LabEx. Il s’agit d’OCEVU (Origine,
Constituants et Evolution de l’Univers), organisé autour de trois thèmes: Astroparticules, Cosmologie
et Physique des particules. OCEVU est porté par Aix-Marseille Université en partenariat avec le
CNRS et les Universités de Montpellier 2 et Toulouse III, et bâti sur les forces et synergies de six
UMR d’excellence à Marseille (CPPM, CPT, LAM), Montpellier (LUPM, L2C) et Toulouse
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
72
Section des unités de recherche
(IRAP/GAHEC) (voir 3.1. ci-dessous).
Notre groupe a participé sur la période à de nombreux projets, 6 d'entre eux financés par l'ANR
en tant que PI ou co-PI. Sur la période 2009-2014, la production scientifique du groupe totalise
plus de 800 articles de rang A, avec plus de 33000 citations (h-index=92). Nous présentons par la
suite le bilan de nos activités sur la période et nos principaux résultats.
2.4.2
Cosmologie et physique fondamentale
L'observation astronomique est la voie privilégiée, parfois totalement unique, d'étude de
phénomènes qui relèvent de la physique fondamentale : nature et caractéristiques de la matière noire,
gravitation quantique, nature et origine de l'accélération gravitationnelle à l'échelle de l’Univers,
nature du vide quantique, physique de l'univers primordial, etc. Le GAHEC regroupe un ensemble de
compétences qui lui permet de s'engager sur plusieurs aspects, en partant du point de vue instrumental
et observationnel (XMM-Newton, Planck, Euclid, Athena), en passant par la modélisation des sondes
cosmologiques (sursauts gamma, amas de galaxies, fonds cosmologiques, supernovae, etc.) et la
détermination des paramètres cosmologiques et, pour finir, sur une approche plus fondamentale de la
physique (propriétés du vide quantique, invariance de Lorentz, gravitation modifiée, etc.).
2.4.2.1 Une nouvelle ère en cosmologie avec Planck
La contribution de l’IRAP à la mission Planck, tant au niveau technique que scientifique, lui a
permis de participer activement à l’exploitation des données et de jouer un rôle moteur dans plusieurs
thématiques scientifiques, e.g. dans l'analyse des fluctuations primordiales et des amas détectés par
effet Sunyaev-Zel'dovich (Planck 2013 Results. I, XII, XXIII). Planck a rempli son premier objectif
scientifique : la détermination des paramètres cosmologiques avec une précision inégalée de l'ordre du
pourcent sur la plupart des paramètres par l'analyse des seules données du CMB. Ces résultats
constituent ainsi des fondations solides pour la compréhension de plusieurs problématiques
fondamentales en cosmologie comme la physique de l'univers primordial ou la formation des
premières structures.
Concernant la physique de l'univers primordial, les données de Planck ont conforté le scénario
de l'inflation : la géométrie euclidienne (univers plat) est plus que jamais favorisée et les fluctuations
apparaissent parfaitement gaussiennes (Planck 2013 results. XII). La détection des modes B de la
polarisation, au niveau annoncé par l'expérience BICEP2, devrait être accessible à Planck qui grâce à
ses nombreuses fréquences pourra apporter une confirmation sans ambigüité de cette détection en
éliminant la possibilité d'une contamination galactique. Certaines observations restent cependant
beaucoup moins en ligne avec les prédictions des modèles les plus simples (Hou, Z., Banday, A. J, et
al. 2010 ; Bielewicz & Banday, 2011 ; Räth, C., Banday, A. et al., 2011 ; Planck 2013 results. XXIII).
C'est particulièrement le cas des anomalies à grandes échelles, comme l’anisotropie hémisphérique
confirmée par Planck. Des études statistiques montrent qu'il s'agit de signaux à 3σ, ayant une faible
probabilité dans un modèle “standard” mais insuffisamment significatif pour permettre de rejeter le
modèle (Planck 2013 results, XXIII). Reste que le constituant le moins connu dans l'univers actuel est
celui qui domine sa densité, c'est-à-dire l'énergie sombre, dont la nature pourra être mieux contrainte
grâce à la combinaison de sondes cosmologiques, notamment les données EUCLID, un projet dans
lequel notre groupe est impliqué.
2.4.2.2 Utilisation des amas en cosmologie de précision
L’utilisation des amas de galaxies dans l'ère de la cosmologie de précision est délicate du fait de
l'importance des processus astrophysiques qui concourent à leur histoire. Ainsi, par exemple, l'étude
des profils de matière noire est potentiellement porteuse d'informations sur les propriétés de l'énergie
noire (Amendola et al., 2013), mais l'histoire dynamique récente des amas est susceptible de perturber
cette analyse (Soucail, 2012). Il est donc important de rassembler des échantillons d'amas permettant
des études statistiques de leurs propriétés, ainsi que leur utilisation dans un cadre cosmologique
(Ferramacho & Blanchard, 2011). Nous avons contribué aux comptages d'amas détectés par effet
Sunyaev-Zel'dovich dans le relevé Planck et fournissant des contraintes sur les paramètres
cosmologiques (Planck 2013 results, XX). Ces dernières sont en légère tension avec celles déduites de
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
73
Section des unités de recherche
l'étude du fond cosmologique. Cette tension pourrait être due à un signal des fluctuations de matière
d'une amplitude plus faible qu'attendue dans le modèle de concordance “standard”, potentiellement le
fait de neutrinos massifs. Elle peut aussi être issue de biais liés à la physique du gaz chaud des amas de
galaxies, via la calibration des relations masse-traceurs observables (Delsart et al., 2010).
2.4.2.3 Le vide quantique et l’énergie noire
Il existe toutefois une autre possibilité pour l'énergie noire peu explorée aujourd'hui, à savoir le
vide quantique. En effet, le vide quantique peut être actif gravitationnellement et se comporter alors
comme une constante cosmologique. Ce scénario conduit à des difficultés, en particulier d'ordre de
grandeur et de signe, qui ont conduit à son abandon. Cette possibilité reste toutefois envisageable, par
exemple en présence de dimensions supplémentaires dans un scénario de branes. L'effet du vide
quantique dans une dimension supplémentaire peut alors se manifester comme une constante
cosmologique positive. Un aspect particulièrement intéressant de cette idée est qu'elle est falsifiable
expérimentalement par un test de la loi gravitationnelle en 1/R2, avec des résultats accessibles dans un
avenir très proche (Dupays et al., 2013).
2.4.3
Galaxies et Grandes Structures (GLASS)
Les grandes questions qui sont abordées dans cette thématique concernent la structuration de la
matière à grande échelle et l’évolution des baryons au cœur des halos de matière noire. Cela nécessite
de détecter et caractériser les plus grands objets de l’Univers, que sont les amas de galaxies, les
premiers objets à très grands décalages spectraux, et de suivre l’évolution des galaxies depuis 13
milliards d’années, en se focalisant sur la période charnière de leur assemblage à z~1-3. Nos
recherches s’appuient sur des instruments de pointe au sol et dans l’espace, auxquels nous contribuons
très souvent de la conception à la réalisation (ex. XMM, Planck, MUSE/VLT, Athena,...). Les
principaux résultats obtenus ces dernières années sont décrits ci-dessous.
2.4.3.1 Structuration de l’univers et physique des amas de galaxies
Nous avons ainsi très fortement contribué à la détection, l’identification et la caractérisation
d’amas de galaxies à différents redshifts, en particulier grâce au relevé Planck. Cette contribution
concerne la définition, la construction et la validation des premiers catalogues Planck d'amas de
galaxies détectés via l'effet Sunyaev Zel'dovich (Planck Col. VIII 2011, Planck Col. XXIX 2013) ; la
caractérisation de nouveaux amas via un programme de suivi multi-longueurs d'onde (X, radio,
optique). Nous avons conduit la première étude de suivi et de caractérisation de ces nouveaux amas de
Figure 12 : Distribution moyenne de la
pression thermique du gaz dans 62 amas de
galaxies,
reconstruite
à
partir
d’observations combinées XMM-Newton
(points violets) et Planck (points rouges).
Les données Planck permettent d’accéder à
un volume 25 fois plus grand que celui
accessible aux rayons X, atteignant ainsi
les régions externes des amas là où la
virialisation du halo est encore en cours
(Figure 4 extraite de l’article Planck
Collaboration Int. V. 2013).
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
74
Section des unités de recherche
galaxies en rayons X avec XMM-Newton démontrant l’adéquation de leurs propriétés physiques avec
celles d'amas de galaxies déjà connus en rayons X (Planck col. IX 2011). Nous avons également eu la
responsabilité de la détermination de la distribution de la pression thermique du gaz chaud intra-amas
fournissant les premières contraintes observationnelles dans les régions externes des amas, là où le gaz
chaud est toujours en cours de virialisation (Planck Col. Int. V 2013, cf Figure 12). Finalement nous
recherchons des sources à grands décalages spectraux via leur signature submillimétrique et
participons à leur caractérisation, via notamment leur suivi avec le satellite Herschel.
Nous avons également conduit une étude sur la détermination comparée de la masse des amas
de galaxies à partir d'observations XMM-Newton, et en lentilles gravitationnelles avec le CFHT (Foëx
et al. 2012). Notre expertise sur l'étude des lentilles gravitationnelles s'est aussi exprimée au travers du
programme SL2S de suivi des configurations de « lentille forte » détectées dans le relevé du CFHTLS,
avec la caractérisation de lentilles à l'échelle des groupes de galaxies (Limousin et al. 2009). Ces
travaux préfigurent ce qui pourra être obtenu avec Euclid.
Finalement, le GAHEC s’est fortement investi dans la préparation du thème scientifique « The
Hot and Energetic Universe » sélectionné par l'agence spatiale européenne pour sa deuxième mission
de classe L du programme Cosmic Vision. L'étude de la formation et de l'évolution des groupes et des
amas de galaxies en est un des deux axes scientifiques majeurs (Barret et al. 2013, Pointecouteau et al.
2013).
2.4.3.2 Recherche et étude des premières galaxies
Rechercher et caractériser les « premières » galaxies à des décalages spectraux entre 6 et 12
(c’est à dire peuplant l’Univers à un âge de seulement quelques centaines de millions d’années) passe
par la sélection des candidats photométriques, réalisée à la fois dans des champs vides étendus et dans
le champ d’amas de galaxies utilisés en tant que lentilles gravitationnelles, une technique pour laquelle
notre équipe a été pionnière. La complémentarité de ces deux approches a été démontrée par le biais
de simulations numériques (Maizy et al. 2010).
Nous avons ainsi conduit le relevé CFHT-WUDS (WIRCam Ultra Deep Survey), un relevé
profond de ~400 arcmin2 dans le proche-IR (Laporte 2012, Pello et al . 2014). Nous avons également
sélectionné des galaxies à z~6-12 dans différents amas lentilles à partir des relevés WUDS, HSTCLASH/Frontier Fields et HLS (Herschel Lensing Survey) (e.g. Egami et al. 2010). La caractérisation
des sources a été réalisée par une approche multi-longueurs d'onde, basée sur les redshifts
photométriques, sur l'ajustement des distributions spectrales d'énergie, ainsi que par le suivi
spectroscopique des sources les plus brillantes. Ces travaux ont permis de confirmer la très forte
évolution de la fonction de luminosité des galaxies entre z~3 et z~10, et d'apporter ainsi de nouvelles
contraintes sur la ré-ionisation cosmique (Laporte 2012). Nous avons en effet montré que les galaxies
« brillantes » ne peuvent pas être les seules responsables de la ré-ionisation (Laporte et al. 2012). Les
galaxies faibles, au-delà des limites des observations actuelles, doivent avoir une contribution
significative. Des sources remarquables à très grand redshift ont été découvertes et caractérisées grâce
aux relevés dans les amas-lentilles. Parmi les résultats les plus spectaculaires, on remarquera la source
à z=6,1 dans le champ de l'amas AS1063, qui pourrait être la première galaxie sub-millimétrique
détectée à z>4 avec une luminosité modérée dans l'IR lointain (Boone et al. 2013, Figure 13), et la
galaxie candidate à z~8 derrière l'amas A2744 (Laporte et al. 2014, NASA/ESA/Spitzer Press Release).
La caractérisation précise des sources de la ré-ionisation par un recensement complet des galaxies
formant des étoiles juste après la ré-ionisation (z~5 à 7) en spectroscopie 3D avec MUSE au VLT va
désormais focaliser nos efforts.
2.4.3.3 Les processus de croissance des galaxies au cours du temps
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
75
Section des unités de recherche
Figure 13 : Première détection d'une
galaxie poussiéreuse normale (luminosité
infrarouge inférieure à 10^12 luminosités
solaires) dans l'Univers jeune, moins d’un
milliard d’années après le Big-Bang.
Les images montrent la partie centrale
(105'' x 78'') de l'amas AS1063 observée à
3.6, 24, 70, 100, 160, 250, 350, 500 et 870
microns. Les contours montrent l'émission
à 870 microns détectée avec APEX, et qui
pourrait être associée à une galaxie à
z=6,1 fortement lentillée et déformée par
le potentiel gravitationnel de l'amas
(Boone et al. 2013).
Confirmation en cours avec ALMA.
(d’après Boone et al. 2013).
L’étude des processus physiques à l’œuvre dans la croissance des galaxies au cours des dix
derniers milliards d’années s’est faite grâce à SINFONI sur le VLT : un spectrographe 3D opérant dans
l’IR qui permet de disséquer les galaxies lointaines (z~1-3) avec une grande précision. Nous avons
conduit ainsi le relevé MASSIV (Mass Assembly Survey with SINFONI in VVDS, Contini et al. 2012)
dans le cadre d’un Large Programme ESO (~200 heures) ayant permis de cartographier le gaz ionisé
dans plus de 80 galaxies représentatives à z~1-2, une période cruciale dans la croissance des galaxies.
Nous avons ainsi montré qu’un tiers, au moins, des galaxies à cette époque présente des signes
d’interaction gravitationnelle majeure (Epinat et al. 2012), trahissant un taux de fusion élevé (LopezSanjuan et al. 2013). Mais le résultat le plus important issu de ce relevé est très certainement la
fraction élevée de galaxies montrant une distribution particulière et « surprenante » de leurs éléments
chimiques (Queyrel et al. 2012). En effet, pour ces galaxies la métallicité est plus faible au centre que
dans les régions périphériques (gradient « positif »), un résultat que nous interprétons par des
écoulements rapides de gaz « frais » dans les régions centrales des galaxies, dus à des perturbations
dynamiques lors d’interactions gravitationnelles.
Comprendre comment les galaxies croissent au cours du temps nécessite également de
comprendre comment la formation des étoiles est régulée. Nous avons récemment obtenu des avancées
majeures dans ce domaine grâce à la caractérisation des super-vents galactiques, produits par
l’explosion cumulée d’un grand nombre de supernovae, dans des galaxies situées sur la ligne de visée
d’un quasar (Bouché et al. 2012a). Cette technique a en outre montré qu’il existe deux classes
d’absorbants sur ces lignes de visée en fonction de l’orientation de la galaxie (Bouché et al. 2012b): si
la ligne de visée croise le petit axe de la galaxie, il est possible de sonder les vents, et donc les
propriétés du gaz éjecté. Si par contre la ligne de visée passe par le grand axe de la galaxie, il est alors
possible de sonder, dans certaines conditions, le gaz qui tombe sur la galaxie. Cette technique a ainsi
permis de détecter, pour la première fois, l’accrétion de gaz sur une galaxie à z~2 (Bouché et al. 2013),
phénomène jusqu’alors très élusif qui est pourtant à la base de la plupart des modèles d’évolution des
galaxies. Nos recherches sur les processus de croissance des galaxies bénéficieront très prochainement
de l’arrivée des données de MUSE.
2.4.4
L'AstroPhysique des Objets Compacts (APOC)
Les objets compacts sont souvent associés aux phénomènes les plus violents observables dans
l’Univers, régulant par exemple en partie l’évolution des galaxies et des amas de galaxies (voir 2.1).
Ils sont aussi un excellent laboratoire de physique fondamentale où les effets du vide quantique et des
champs magnétiques extrêmes dans l’environnement des pulsars sont étudiés (Dupays et al. 2012,
Lamine et al. 2013, Espinoza et al. 2013)
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
76
Section des unités de recherche
Figure 14 : gauche : Image HST en 6 bandes (FUV, NUV, c, V, I, H) de la galaxie ESO 243-49 et le candidat trou noir de
masse intermédiaire HLX-1 encerclé en blanc (Farrell et al. 2012) ; droite : Courbe de lumière X (0.3-10.0 keV) du candidat
trou noir de masse intermédiaire HLX-1 prise avec Swift entre 2008 et 2014 (Godet et al. 2014)
L'accrétion de matière sur un objet compact (un trou noir de masse stellaire ou une étoile à
neutrons) au travers d’un disque d’accrétion s’accompagne d’un intense rayonnement X/X-durs/γ. Ce
rayonnement observé depuis l’espace est utilisé pour étudier la physique en champs gravitationnels
extrêmes, afin de tester les prédictions les plus fondamentales de la Relativité Générale, comme
l’existence d’un horizon d’évènements pour les trous noirs, ou encore la présence d’une dernière
orbite circulaire stable (Boutelier, Barret, & Miller 2009, 2010, Boutelier et al. 2010, Lin et al. 2011,
2012, Barret, Bachetti & Miller 2011, Barret & Vaughan 2012, Barret 2012, Barret 2013, Peille, Olive
& Barret 2014). Ce rayonnement de haute énergie permet aussi d'accéder au moment angulaire du trou
noir, un des deux paramètres qui, avec sa masse le définissent entièrement (Miller et al. 2013, 2014,
Miller et al. 2014, Tomsick et al. 2014). De la même manière, il permet de contraindre l’équation
d’état de la matière super condensée qui compose le cœur des étoiles à neutrons, à partir de mesures
simultanées de leur masse et leur rayon (Artigue et al. 2013, Guillot et al. 2013). Il permet enfin
d’étudier les processus d’accrétion et d’éjection communs à de nombreux objets dans l’Univers. Nous
pouvons ainsi contraindre la géométrie et la viscosité du flot d'accrétion autour des trous noirs de
toutes masses (Dibi et al. 2014, Godet et al. 2012), déterminer la structure et l’intensité du champ
magnétique (Del Santo et al. 2013, Droulans et al. 2010), les mécanismes sous-jacents aux éruptions
récurrentes de ces sources (Webb et al. 2014), l’origine des éjections de matière, leur lien avec
l’accrétion (Malzac 2013), et leur impact sur le milieu environnant (Malzac et al. 2009).
Nos principales activités ont été focalisées sur l’exploitation des observatoires existants, aussi
bien spatiaux que sol (XMM-Newton, Chandra, NuSTAR, Fermi, Swift, INTEGRAL, HST, VLT,
ATCA, GEMINI, …), la préparation des futures missions spatiales en haute énergie (SVOM ; Godet
et al. 2012, Athena ; Nandra, Barret et al. 2013, LOFT ; Feroci et al. 2012, …), et la modélisation du
transfert radiatif (code Monte Carlo) autour des objets compacts. La sélection du thème scientifique
« The Hot and Energetic Universe » par l’ESA pour sa seconde grande mission (L2) du programme
scientifique Cosmic Vision, et la sélection de la mission proposée (Nandra, Barret et al. 2013) 4
constituent un fait marquant du GAHEC. Ci-dessous, nous détaillons deux résultats scientifiques
obtenus par des chercheurs d’APOC.
2.4.4.1
Les trous noirs de masse intermédiaire
Les ULXs (Ultra Luminous X-ray sources) se situent dans le bulbe de leur galaxie hôte et ont
des luminosités X supérieures à 10 fois la limite d'Eddington pour un trou noir de 10 masses solaires,
soit environ 1040 ergs/s. Les sources les moins brillantes dans cet échantillon pourraient être des trous
noirs stellaires accrétants à des taux super-Eddington. Les sources les plus brillantes seraient des trous
noirs de masse intermédiaire, beaucoup moins massifs que les trous noirs au cœur des galaxies, mais
bien trop massifs pour être le produit final de l'évolution stellaire classique. On connaît quelques
dizaines de candidats sérieux pour les trous noirs de masse intermédiaire, mais les scénarios de
4
http://userpages.irap.omp.eu/~dbarret/ATHENA/The_Athena_Mission_Proposal.pdf
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
77
Section des unités de recherche
formation de ces objets sont encore mal compris. Ils pourraient être produits, soit par effondrement
d'étoiles très massives, soit par condensation d'étoiles situées, par exemple, dans un amas globulaire,
soit par fusion de trous noirs stellaires. On sait aussi très peu de choses sur la façon de les alimenter,
même si l'accrétion de matière provenant d’une étoile compagnon semble l'hypothèse la plus solide.
L'importance des trous noirs de masse intermédiaire provient du fait qu'ils pourraient contribuer à la
croissance des trous noirs supermassifs. C'est dans ce contexte que nous avons découvert dans le
catalogue 2XMM (Watson et al. 2009) la source HLX-1 dont la luminosité X atteint ~1042 ergs/s, soit
un facteur 10 supérieur à la luminosité de l’ULX la plus brillante connue auparavant (cf Figure 14).
Sous les hypothèses les plus conservatrices, la masse minimum du trou noir est de 500 masses solaires,
excluant de facto une origine stellaire pour le trou noir (Farrell et al. 2009, Wiersema et al. 2010). Sa
forte luminosité, sa variabilité spectrale en X (Godet et al. 2009, Webb et al. 2010, Davis et al. 2011,
Servillat et al. 2011, Godet et al. 2012, Straub et al. 2014), ainsi que son émission radio (Webb et al.
2012), pointent vers un trou noir de masse intermédiaire d’environ 20 000 masses solaires. Des
observations multi-longueurs d'onde (Farrell et al. 2012, Webb et al. 2014) et des travaux de
modélisation (Lasota et al. 2011, Godet et al. 2014) ont permis de montrer qu’HLX-1 réside
probablement dans un amas dense d'étoiles. Aujourd’hui, le groupe est impliqué dans un suivi régulier
de cette source, par exemple avec MUSE (dans le cadre de la « Science Verification », ainsi que dans
la recherche d'objets similaires dans le catalogue 3XMM (Lin, Webb & Barret, 2012, 2014, Lin et al.
2013a,b).
Outre le suivi d’HLX-1 et la découverte de systèmes similaires, nous sommes impliqués dans la
caractérisation spectrale des ULXs au-delà de 10 keV avec le satellite NuSTAR. Les premières
observations d’ULX standards (parmi les moins brillantes) semblent accréditer l’hypothèse qu’il
s’agisse de trous noirs stellaires accrétants dans un nouveau régime super-Eddington, et pour lequel la
forme spectrale est caractérisée par une coupure aux alentours de 10 keV (Bachetti et al. 2013, Walton
et al. 2013, 2014 ; Miller et al. 2014 ; Rana et al. 2014). La physique de l’accrétion super-Eddington
reste à élaborer.
2.4.4.2 Accélération de particules et champ magnétique dans les binaires X
Les binaires X émettent un intense rayonnement X, principalement entre 1 et 100 keV, et
certaines également dans le domaine γ, au TeV. Les mécanismes d’accélération capables d’extraire
l’énergie gravitationnelle du disque d’accrétion pour la transférer aux particules avant que celles-ci ne
la rayonnent restent inconnus (chocs, reconnexion magnétique, viscosité, interactions ondesparticules ?). Les binaires présentent une très grande variabilité spectrale et des mécanismes
d’accélération distincts sont souvent invoqués pour reproduire les différents états observés. Par une
modélisation fine des processus radiatifs et d’accélération dans ces sources, nous avons montré qu’un
seul mécanisme était suffisant pour reproduire la grande variété de spectres observés. Ce résultat
représente un pas important vers l’unification des différents états spectraux. D’autre part, les milieux
magnétisés émettant du rayonnement synchrotron, les spectres des binaires X sont sensibles à
l’intensité moyenne du champ magnétique. Nous avons ainsi obtenu la première contrainte
observationnelle directe sur le champ magnétique dans l’environnement immédiat d’un trou noir
(Malzac et Belmont 2009, Del Santo 2013). Cette contrainte se révèle particulièrement importante car
elle est incompatible avec les modèles d’accélération par reconnexion magnétique qui sont souvent
invoqués et qui requièrent des intensités de champ magnétique beaucoup plus élevées. Enfin, nous
avons également montré que l’émission au TeV ne pouvait pas provenir des mêmes régions centrales
émettant en X et qu’un processus d’accélération distinct devait donc avoir lieu plus loin du trou noir,
dans le jet par exemple (Cerutti et al. 2011). Des travaux sont maintenant en cours pour tester et
contraindre d’autres mécanismes comme l’accélération stochastique (Marcowith et al. 2013), par des
chocs internes (Malzac 2013), etc.
2.4.5
Accélération des Particules et Phénomènes Explosifs (APPEX)
Nous travaillons à la compréhension des phénomènes les plus énergétiques de l'Univers (les
explosions de novae et de supernovae, les sursauts gamma, l'accélération des particules, l'émission à
haute énergie des restes de supernovae et des nébuleuses de vent de pulsar), ainsi qu’à la physique des
rayons cosmiques (les mécanismes d'accélération, la composition, la propagation et le rôle joué par le
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
78
Section des unités de recherche
champ magnétique à différentes échelles) et l'implication de ces phénomènes explosifs à la
nucléosynthèse et à la production de positrons. Certains des objets étudiés sont associés à la formation
catastrophique d'étoiles à neutrons ou de trous noirs, et présentent des vents et/ou des jets qui se
propagent dans le milieu interstellaire à de très grandes vitesses (voire relativistes dans le cas des
sursauts gamma). Nous étudions les mécanismes d'accélération des éjecta et les processus radiatifs
associés aux hautes densités d'énergie de ces objets, en relation avec APOC.
Pour étudier ces phénomènes, nous combinons des compétences en instrumentation,
observations, et modélisation. Nous sommes directement impliqués dans des observations à haute
énergie, et également dans le visible via un réseau de télescopes robotiques pour l'étude des sursauts
gamma. Ils font également partie des groupes scientifiques et/ou instrumentaux des missions phares en
X et gamma dans les thématiques scientifiques couvertes par le groupe APPEX (INTEGRAL, Swift,
Fermi). Nous sommes également impliqués dans le réseau de télescopes robotiques TAROT/Zadko
avec une vraie expertise dans le développement des logiciels de pilotage automatique en temps quasiréel (Klotz et al. 2009a,b, Klotz 2010). Le groupe développe également des outils de simulations
numériques qui permettent de modéliser la propagation, les interactions et/ou les processus radiatifs de
particules dans des environnements astrophysiques (plasmas relativistes, enveloppe de novae, milieu
intergalactique, milieu interstellaire) pour mieux comprendre les propriétés de l’interaction
rayonnement-matière à haute énergie (Alexis et al. 2014). Nous reprenons ci-dessous quelques
résultats marquants du groupe, avant de détailler nos réalisations instrumentales.
2.4.5.1 Les sursauts gamma
L’étude de l’émission précoce des sursauts détectés par Swift a permis la découverte d’une
nouvelle classe de sursauts ultra-longs (plusieurs heures) à laquelle l’équipe a fortement contribué.
L’origine de ces évènements est encore intensément débattue, mais ils pourraient être associés à des
progéniteurs différents, peut-être des étoiles supergéantes bleues, qui sont bien plus étendues que les
étoiles de Wolf-Rayet souvent considérées comme à l’origine des sursauts longs classiques (Gendre et
al. 2013). Nous avons par ailleurs montré que les indicateurs de luminosité basés sur l’émission
prompte des sursauts gamma détectés par Swift et Fermi (comme la relation d’Amati) sont sujets à de
forts effets de sélection qui invalident leur usage pour la cosmographie et qui rendent d’autant plus
importante la mesure des redshifts par les observatoires au sol (Heussaff et al. 2013).
L’essentiel de l’activité est aujourd’hui focalisé autour de la préparation de la mission SVOM.
L’équipe a apporté une contribution très importante à la préparation des divers cas scientifiques de la
mission sur la science sursauts gamma et la science hors sursauts, tout en démarrant les activités
directement liées au développement des instruments ECLAIRs et CAGIRE (voir ci-dessous).
2.4.5.2 Le Ciel de FERMI
Depuis son lancement en 2008, le télescope spatial Fermi/LAT a permis d'approfondir notre
connaissance et notre compréhension du ciel gamma dans la gamme ~100 MeV–100 GeV. Parmi les
réalisations majeures de cet instrument auxquelles l'IRAP a contribué figure la construction d'un
catalogue de sources gamma. La dernière version de ce catalogue, basée sur 2 ans d'observations
continues de la totalité du ciel, compte 1873 objets dont 70% environ sont identifiées ou associées à
des contreparties. Ce travail confirme la prééminence des pulsars en tant que sources galactiques, et a
aussi permis de mettre à jour de nouvelles classes d'émetteurs gamma comme les amas globulaires
(Abdo et al. 2010) ou les galaxies à sursaut de formation stellaire (Ackermann et al. 2012 et
références). Pour ces dernières, l'équipe est engagée dans une activité de modélisation afin de profiter
des performances de Fermi pour accéder à une meilleure connaissance des populations galactiques de
rayonnement cosmique (Martin 2014). Grâce au Fermi/LAT, les novae se sont aussi révélées être des
sources inattendues de rayonnement gamma (Abdo et al. 2010; ATELs 5649, 5653, 5879, Abdo et al.
2014 accepté par Science), via un mécanisme qui reste à identifier clairement. L'analyse spectrale de
leurs émissions gamma montre qu'elles peuvent être aussi bien expliquées par la décroissance de pions
neutres produits dans les collisions de protons (hadrons) de haute énergie avec les atomes des éjecta
que par des électrons (leptons) relativistes qui produisent des photons gamma par le processus
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
79
Section des unités de recherche
Compton inverse sur des photons de la nova. Les travaux de modélisation favorisent l'origine
leptonique de l'émission (Martin et al. 2013).
2.4.5.3 Supernovae
Le mécanisme par lequel les étoiles explosent en supernovae reste partiellement incompris, et le
spectromètre INTEGRAL/SPI promettait d'apporter un éclairage nouveau sur ce phénomène en
observant les raies gamma nucléaires des éléments radioactifs synthétisés dans l'explosion. Depuis
son lancement en 2002, l'instrument a suivi plusieurs évènements proches, notamment SN2011fe
(ATEL 3683, Isern et al. 2013), mais c'est la supernova SN2014J dans la galaxie M82 qui aura permis
la détection des raies gamma nucléaires issues de la décroissance du 56Co (ATEL 5992, Churazov et
al., 2014 accepté par la revue Nature, cf Figure 15 ci dessous). L'analyse spectrale de ces raies montre
que la masse de 56Ni produit est de (0,62±0.13) M_sol et que la vitesse d'expansion de l'éjecta est de
(2100±500) km/s. L'émission gamma observée à basse énergie (200-400 keV), due à la
comptonisation des raies du 56Co et de l'émission d'annihilation des positrons dans l'éjecta, permet
d'estimer la masse totale éjectée (~1.4 Msol) ce qui correspond à une énergie cinétique de l'éjecta de
~1051 erg. Ces résultats sont en accord avec le modèle canonique d'une explosion de naine blanche qui
a atteint la masse de Chandrasekhar et fournissent la preuve directe et indubitable qu'une supernova de
type Ia est issue de l'explosion thermonucléaire d'une naine blanche (Churazov et al. 2014). A noter
également la première carte du Titane 44 de Cas A fournie par NuSTAR. Elle montre que l’étoile
aurait été secouée, ré-énergisant l’onde de choc liée à l’explosion. Cette onde aurait alors pour effet
d’expulser les couches externes de l’étoile, en produisant les asymétries dans la distribution du Titane
observées par NuSTAR (Grefenstette et al. 2014).
Figure 15 : Spectre en énergie des photons gamma détectés par les deux instruments principaux de l'observatoire spatial
INTEGRAL lors des observations de la supernova SN2014J : l'imager IBIS (en bleu) et le spectromètre SPI (en rouge). Les
deux raies gamma émises par les décroissances radioactives des noyaux de 56Co sont clairement visibles à 847 keV et à 1238
keV ainsi que le continuum gamma due à la diffusion de ces raies nucléaires avec la matière en expansion.
2.4.5.4 Réalisations instrumentales
Ce sous thème du GAHEC (en lien avec APOC) a la particularité d’être actuellement impliqué
dans différentes réalisations techniques que nous listons ci-dessous.
•
Nous réalisons actuellement le plan de détection (80x80 pixels de CdTe et son électronique de
lecture) d’ECLAIRs, une caméra gamma à masque codé grand champ pour la détection et la
localisation de l'émission prompte des sursauts gamma (Godet et al. 2009, Remoue et al. 2009,
2010, Lacombe et al. 2013). Nous prévoyons la fourniture de la caméra proche infra-rouge
CAGIRE (pour un projet Franco-Mexicain de télescope de 1m) pour le suivi de l'émission
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
80
Section des unités de recherche
prompte et rémanente des sursauts gamma en optique et proche infra-rouge. Ces deux
développements s'inscrivent dans le cadre de la mission Sino-Française SVOM (Space borne
Variable Object Monitor) qui devrait voler à l'horizon 2020 (Godet et al. 2012). L'IRAP est
l'institut PI de l'instrument ECLAIRs et du projet de télescope robotique.
•
Nous fournissons le logiciel d'analyse scientifique et des plans focaux des télescopes de taille
moyenne pour l'observatoire sol à très haute énergie Cherenkov Telescope Array (CTA). Le
développement des logiciels bénéficie des expériences gagnées sur les observatoires INTEGRAL
et Fermi. Ceci a permis d'aboutir à la mise en œuvre d'un code générique OpenSource pour
l'analyse de données haute énergie baptisé GammaLib (http://gammalib.sourceforge.net/). Le code
adapté pour CTA dénommé ctools (http://cta.irap.omp.eu/ctools/) est également disponible en
OpenSource. Pour les caméras des télescopes de taille moyenne, l'IRAP développe les cartes haute
tension et de pré-amplification qui seront intégrées avec les photo-multiplicateurs et les
concentrateurs de lumière pour former le plan focal. Le développement de CTA est labellisé par
l'INSU comme un SO2, dont l'Observatoire Midi-Pyrénées est l'OSU de référence (responsable:
Jürgen Knödlseder).
•
Nous développons le banc optique et de l'instrument booth pour le projet Extreme Universe Space
Observatory balloon (Eusoballoon – von Ballmoos et al. 2013), un démonstrateur de la mission
JEM-EUSO dédié à l'observation des gerbes géantes induites dans l’atmosphère terrestre par les
rayons cosmiques d’ultra-hautes-énergies (jusqu'à 1020 eV). Avec sa capacité à détecter des gerbes
de rayons cosmiques autour de 1018 eV, eusoballoon est à la fois le démonstrateur et le précurseur
de toute mission spatiale dédiée à l’étude des rayons cosmiques ultra-énergétiques. L'intégration,
l'alignement optique, les tests au sol, et la caractérisation de l'instrument sont réalisés par l'IRAP
(institut PI). Le premier vol vient d’être réalisé avec succès le 25 août 2014 depuis le site de
Timins au Canada.
•
Nous avons fabriqué le blindage et l'électronique d'anticoïncidence financés par le CNES (2013–
2014) pour le projet Nuclear Compton Telescope, un spectro-imageur gamma pour l'astrophysique
nucléaire qui opèrera en ballon stratosphérique (collaboration avec le Space Science Laboratory,
University California Berkeley).
2.4.6
Le LabEx OCEVU
Le LabEx OCEVU est porté par Aix-Marseille Université en partenariat avec le CNRS et les
Universités de Montpellier 2 et Toulouse III et bâti sur les forces et synergies en physique de l'univers,
expérimentale et théorique, de six UMR d’excellence à Marseille (CPPM, CPT, LAM), Montpellier
(LUPM, L2C) et Toulouse (IRAP/GAHEC). OCEVU a l’ambition de créer un environnement
structurant, collaboratif et interdisciplinaire d’excellence pour renforcer l’impact international et
l’attractivité de nos équipes dans les projets actuels et futurs, destinés à s’attaquer aux questions
fondamentales relatives à notre compréhension de la physique de l’Univers. OCEVU a été sélectionné
dans le cadre de l’appel d’offre 2011 des Investissements d’Avenir (classé premier ex-aequo).
OCEVU s’est vu allouer un budget de 10 M€ sur 8 ans. Il implique 40 enseignants-chercheurs, 25
astronomes, 70 chercheurs CNRS, 40 post-doctorants, 80 doctorants et 170 ingénieurs et techniciens.
Le GAHEC est en taille comparable aux grands instituts partenaires du LabEx.
Les objectifs d’OCEVU sont de mettre à profit les expertises et les complémentarités de nos
équipes en recherche, formation et valorisation pour :
•
avancer dans la compréhension et la caractérisation de l’Energie et de la Matière sombres ainsi
que des objets et des processus les plus extrêmes observables dans l'Univers (trous noirs, sursauts
gamma, rayons cosmiques, sources de neutrinos, formation des premières structures dans l'univers,
réionisation, ...); explorer la physique du boson de Higgs et les sources de nouvelle physique
incluant la gravité modifiée et la physique au-delà du Modèle Standard.
•
mettre en place sur l’arc Marseille-Montpellier-Toulouse un cursus complet et coordonné de
formation combinant les aspects observationnels, expérimentaux et théoriques de la physique de
l’Univers; développer des approches pédagogiques innovantes; renforcer les échanges et
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
81
Section des unités de recherche
collaborations internationales et attirer les meilleurs étudiants au niveau mondial.
•
présenter les avancées et découvertes des projets d’OCEVU à la communauté scientifique au
travers de publications et de conférences, et aussi à des publics larges et variés au travers d’un
programme ambitieux de communication et diffusion scientifique; renforcer les transferts de nos
développements technologiques, en coordination avec les Sociétés d'Accélération du Transfert de
Technologie et les Pôles de Compétitivité.
La structure organisationnelle d’OCEVU est désormais en place. Elle repose sur un comité de
pilotage présidé par Saul Perlmutter (LBL, Prix Nobel de physique 2011) avec l’ensemble des
tutelles, un comité exécutif et un conseil scientifique avec des membres élus et des extérieurs nommés.
Les appels d’offre annuels à projets collaboratifs (financements de thèses, de post-doctorats, de
conférences, ateliers, chercheurs invités, etc.) constituent une excellente opportunité pour le
développement du GAHEC, dans un contexte budgétaire contraint par ailleurs. Pour ne citer qu’un
exemple, à ce jour 4 thèses et 2 post-doctorats, ont démarré au GAHEC avec un financement OCEVU.
2.4.7
R&D pour l'instrumentation
Electronique de lecture multiplexée pour matrices de détecteurs supraconducteurs : Pour
préparer les futures grandes missions spatiales (plus particulièrement les instruments Athena/X-IFU et
SPICA/SAFARI) l’IRAP étudie, depuis 2009, des électroniques de lecture multiplexée pour des
matrices de détecteurs supraconducteurs. Ces développements reposent essentiellement sur la mise au
point d’un firmware (pour FPGA ou ASIC numérique) de contrôle de multiplexage en fréquence et
rendent possible l’utilisation de matrices « kilo-pixels » refroidies à des températures « sub-kelvin »
qui offriront des résolutions angulaires, des champs de vue et des niveaux de sensibilité jusqu’ici
inégalés. Ce développement est réalisé en collaboration étroite avec le Space Research Organisation of
the Netherland (Hollande), institut PI de l’instrument SAFARI pour la mission spatiale SPICA.
LOFT/ASIC : Le projet LOFT avait été sélectionné par l’ESA comme candidat pour la mission
de taille moyenne M3. Les objectifs scientifiques de LOFT sont l’étude des champs gravitationnels
extrêmes et de la matière à densité supra-nucléaire, constituant le cœur des étoiles à neutrons. Nous
avons développé un ASIC bas bruit et basse consommation pour détecteurs Silicium à chambre dérive,
fonctionnant dans le domaine de 1 keV à 80 keV. Ces développements d’ASIC à l’IRAP constituent
une priorité du laboratoire; l’idée étant à moyen terme de se doter d’une expertise de spécifications,
suivi, améliorations et mise en œuvre d’ASIC, s’appuyant sur des partenaires industriels ou
institutionnels.
Conception et production de SiPM : Projet porté par R Bazer-Bachi, il a donné lieu aux thèses
de Denis Pellion et Khalil Jradi. Nous sommes parvenus à concevoir et réaliser ces détecteurs
photosensibles susceptibles à terme remplacer les photomultiplicateurs standards. Ces SiPM ont de
nombreux avantages (poids, basse tension d'alimentation) mais imposent également des contraintes
optiques sur la collecte de la lumière.
2.4.8
Codes et bases de données
Base de Données sur les Amas X (BAX): http://bax.ast.obs-mip.fr/ . Responsable : A.
Blanchard
Code d'extraction des paramètres physiques des galaxies : Un travail interdisciplinaire a été
fourni ces deux dernières années entre l'équipe Signal Image des Sciences de l'Univers (SISU) – avec
H. Carfantan – à travers deux stages M2. Nous avons développé un algorithme pour analyser la
cinématique des galaxies observées par des spectro-imageurs (comme SINFONI et MUSE pour le
VLT). L'algorithme vise à extraire les paramètres physiques des galaxies (taille, inclinaison,
paramètres de rotation, etc.) directement à partir des données hyper-spectrales (3D) grâce à une
optimisation de type Bayésienne par méthode Monte-Carlo (Bouché et al. 2014). C'est le premier
algorithme de ce genre dans ce domaine. Responsables : N. Bouché et H. Carfantan.
Code d'optimisation des configurations d'ALMA. Ce code est utilisé par le projet pour les
configurations actuelles. Responsable : F. Boone
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
82
Section des unités de recherche
Hyperz et New-hyperz : Développement et mise à jour du code HyperZ, premier code public
pour le calcul de redshifts photométriques (http://webast.ast.obs-mip.fr/hyperz/ et nouveau site
http://userpages.irap.omp.eu/~rpello/newhyperz ) dans ses versions successives, depuis Avril 2000.
Responsable : R. Pello
XMM-Newton : Nous avons créé la 5ème 'data release' du catalogue XMM-Newton (3XMMiDR5) hébergé à l'IRAP à partir de 2014. Ce catalogue comprend 573843 sources X et près de 200000
spectres et courbes de lumière. Responsable : N. Webb
2.4.9
Rayonnement et attractivité académique
Le GAHEC est le seul groupe thématique de l’IRAP rattaché à un LabEx : OCEVU (Origine,
Constituants et Evolution de l’Univers, voir ci-dessus), porté par Aix-Marseille Université en
partenariat avec le CNRS et les Universités de Montpellier 2 et Toulouse III. Ce rattachement fournit
au GAHEC une plateforme d'excellence pour le recrutement de doctorants et postdoctorants au niveau
international, ainsi que pour l'accueil de visiteurs. Ainsi, dix projets avec PI GAHEC ont été acceptés
depuis la création d'OCEVU, ce qui a permis d'embaucher 5 doctorants et un postdoc, et de financer
un visiteur.
Plusieurs réseaux collaboratifs ont été coordonnés par les membres du groupe dans la période,
en particulier six projets financés par l'ANR avec un PI membre du GAHEC : AGACTS (ANR
« Jeune Chercheur » 2007-11, PI. T. Contini), EPAMASSTAT (ANR « Jeune Chercheur » 2006-10,
PI. E. Pointecouteau), FOGHAR (ANR Blanche 2014-17, co-PI. T. Contini), MULTIVERSE (ANR
Blanche 2012-15, PI. E. Pointecouteau), TG_REGALDIS (ANR Blanche 2009-2014, PI. R. Pello), et
une « Chaire d'excellence » (2008-12, PI. A. Banday). L'ensemble de ces projets a été financé à
hauteur de 2,4 Meuros par l'ANR. Deux projets FP7 avec PI GAHEC (N. Bouché) ont aussi été
financés à hauteur de 430 kE : SIMPLEFEEDBACK et GALACTICWIND. Le groupe participe aussi
à l'ANR CHAOS, avec 2 co-I au GAHEC (J. Malzac et R. Belmont).
Aux réseaux scientifiques cités ci-dessus s'ajoute la responsabilité des membres du groupe dans
des collaborations internationales associées à des instruments pour lesquels le GAHEC a une
contribution scientifique ou technique importante, dont APPEX, ATHENA X-IFU, CTA, EUCLID,
FERMI, MUSE, NUSTAR, PLANCK, SVOM, ou XMM-NEWTON. Le GAHEC a coordonné la
proposition et White Paper pour la mission spatiale ATHENA, sélectionnée par le SPC de l’ESA en
2014 pour être la seconde grande mission (L2) du programme scientifique Cosmic Vision. C'est aussi
le GAHEC qui est responsable du logiciel d'analyse scientifique et des plans focaux pour
l'observatoire Cherenkov Telescope Array (CTA), avec la mise en œuvre de codes génériques
OpenSource
pour
l'analyse
de
données
haute
énergie
(GammaLib,
http://gammalib.sourceforge.net/) et spécifiques à CTA (ctools, http://cta.irap.omp.eu/ctools/).
Plusieurs grands projets de collaboration pilotés par les membres du GAHEC, ou dans lesquels les
membres du groupe ont un apport fondamental, ont vu le jour ou se sont épanouis en termes de
résultats au cours de la période, dont MASSIV, zCOSMOS, SIMPLE ou PHIBBS2. Les chercheurs du
GAHEC ont reçu régulièrement le support des Programmes Nationaux (PNCG, PNC et PNHE) pour la
réalisation de leurs projets de collaboration scientifique.
Les membres du GAHEC ont participé régulièrement à des expertises au niveau national et
international. Les principales instances dans lesquelles les membres du GAHEC ont été présents au
niveau national sont le CNU (A. Le Padellec, R. Pello), la Section Astronomie du CNAP (R. Pello, G.
Soucail, N. Webb), la Section 17 du CNRS (J.L. Atteia, G. Soucail), l'ANR, CNES, ESA et aussi
AERES. A ces conseils s'ajoutent des jurys et des comités de sélection pour l'attribution de postes
d'enseignant-chercheur ou d’ingénieur. Au niveau international, on participe surtout aux conseils des
agences de moyens (Afrique du Sud, Allemagne, Argentine, Autriche, Belgique, Brésil, EEUU,
Espagne, Suède) ainsi qu'à des TAC de télescopes et satellites. G. Soucail est responsable du groupe de
travail "Enseignement et diffusion des connaissances" de la prospective 2015-2020 de l'INSU pour
l'astronomie-astrophysique et de la rédaction du document (en cours), ainsi que membre du Board du
CFHT.
Parmi les membres du GAHEC, au moins 19 personnes ont fait partie d'un SOC pour
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
83
Section des unités de recherche
l'organisation de conférences internationales. Les membres du GAHEC sont aussi invités
régulièrement à des conférences internationales. A. Blanchard assure l'animation scientifique de
l'action pluri-disciplinaire ASPHON, qui organise régulièrement des séminaires et 3 ateliers dans la
période (http://www.irap.omp.eu/recherche/Actions-Pluridisciplinaires/physfond). Le GAHEC
a organisé l'atelier sur "The formation and evolution of intermediate mass black holes: the case of
HLX-1 in ESO 243-49" qui a eu lieu à l'IRAP en septembre 2011.
Pendant la période de référence, le GAHEC a été rejoint par six nouveaux chercheurs et
enseignants-chercheurs sur poste statutaire, à savoir F. Boone (AA, en mutation depuis le LERMA), N.
Bouché (CR recruté en 2012, ancien postdoc IRAP), M. Coriat (AA recruté en 2014, ancien postdoc
en Afrique du Sud), A. Dupays (MdC, en mobilité sur le campus toulousain), B. Lamine (MdC recruté
en 2013, ancien MdC à Paris VI) , et P. Martin (CR recruté en 2012, ancien postdoc IPAG). Quatre
chercheurs étrangers nous ont visité pendant de longues périodes qui vont de 1.5 à 3 mois (Bulgarie,
Canada, Italie et Mexico).
Plusieurs prix et distinctions ont été accordés à des membres du groupe pendant la période de
référence : D. Barret (Prix 2013 "Le goût des sciences" du Ministère de l'enseignement supérieur et de
la recherche pour l'action de l'association "Les étoiles brillent pour tous"), A. Blanchard (UF Senior
2009-2014), N. Laporte (Prix Maury de l’Académie des Sciences de Toulouse en 2013 pour sa thèse),
et G. Soucail (Palmes académiques, promotion du 14 Juillet 2009).
2.4.10 Diffusion de la culture scientifique
Les membres du GAHEC sont fortement impliqués au sein de l'association Les étoiles brillent
pour tous -(www.ebpt.fr), association loi 1901 ayant pour objectif l'organisation de conférences et
d'animations accessibles à tous autour des sciences de l’Univers et de l’environnement, notamment en
milieu hospitalier, dans les maisons de retraite, en milieu rural, dans les associations d’aide aux
malades ou aux handicapés, ainsi que dans les établissements pénitentiaires. Le fondateur, secrétaire et
webmestre (D. Barret), ainsi que le vice-président actuel de l'association (T. Contini) sont membres du
GAHEC. En dehors de ce cadre, les membres du GAHEC sont particulièrement actifs dans la
diffusion de la culture scientifique, avec de nombreuses conférences de vulgarisation et des
interventions ciblées auprès des collèges et lycées.
Plusieurs membres du GAHEC ont conçu et réalisé des actions destinées au grand public. Ainsi,
R. Cabanac a réalisé l'exposition "Rayons Cosmiques 2012 » au Pic du Midi (64000 visiteurs entre
juin et septembre 2012) et, avec Daniel Hernandez, Le mystère du Pic du midi, nouvelle du recueil
"Laboratoires du noir", Festival de la Novella, organisé par la mairie de Toulouse en 2012. J.
Moultaka a réalisé en 2010 une exposition « photo-musicale » intitulée « De l'infiniment grand à
l'infiniment petit : Histoires de notre Univers » dans le cadre du festival « La Novela », une
manifestation incluant plusieurs conférences et interventions des membres du GAHEC sur des thèmes
astrophysiques autour de l'exposition pour le grand public et pour des collégiens (voir
http://www.musique-toulouse.info/wp-content/uploads/2010/10/autour-de-lexposition.pdf). P. Von
Ballmoos réalise le projet « Averse » au sein de l'exposition « Perturbations » aux Abattoirs (janvier à
mai 2014) en collaboration avec l'artiste C. Boursier-Mougenot. Nombreux jeunes chercheurs et
doctorants du GAHEC ont participé tout au long de la période à l'organisation du Festival
d’Astronomie Astro-Jeunes de Fleurance (Gers).
2.4.11 Organisation et vie du groupe
Le GAHEC est un groupe thématique né en janvier 2011 de la fusion des anciennes équipes
Cosmologie et Galaxies du LATT, et du département Hautes Énergies du CESR. La responsabilité du
groupe est assurée par un binôme constitué d'un responsable (actuellement R. Pello, site Belin) et d'un
responsable adjoint (actuellement D. Barret, site Roche) travaillant de concert, avec un partage des
tâches bien défini. Les postes de responsable/responsable-adjoint ont été permutés à la mi-mandat
(juillet 2013), comme prévu dans le projet initial du groupe, un dispositif que nous nous proposons de
perpétuer suite à l'expérience positive de ce premier mandat. L'activité scientifique s'articule autour de
quatre grands axes (Cosmologie et Physique fondamentale, Galaxies et Grandes Structures,
Astrophysique des Objets Compacts, Accélération des Particules et Phénomènes Explosifs), avec deux
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
84
Section des unités de recherche
animateurs identifiés dans chacun de ces axes. Une particularité du GAHEC par rapport aux autres
groupes thématiques : les personnels sont distribués en majorité entre les sites Bélin et Roche, avec
une proportion d'environ 1/3 et 2/3 respectivement, plus une petite composante sur le site de Tarbes.
Autre particularité, les personnels du GAHEC se sont complètement réorganisés autour des axes cités
ci-dessus par rapport aux anciennes équipes scientifiques préexistantes à la fusion.
Notre organisation interne prend en considération la dispersion géographique des personnels
entre les différents sites, l'objectif étant de favoriser les échanges et de privilégier les compétences
transverses entre les axes scientifiques. Ainsi, les personnels émargent le plus souvent à plusieurs axes
scientifiques, et les animateurs sont naturellement issus des deux sites principaux pour chacun des
axes. Nous avons mis en place des séminaires de groupe tous les 15 jours (hors grandes vacances),
animés par N. Bouché et T. Jaffe, en alternance sur les deux sites toulousains. Ces séminaires sont le
plus souvent animés par des visiteurs de passage, ou à défaut par les membres du groupe sous la forme
d'un Journal Club. En plus des séminaires, la vie du groupe est rythmée par des réunions générales ou
spécifiques au gré des besoins d'information ou d'arbitrage (typiquement une réunion par mois, mais la
périodicité reste très variable). Des réunions spécifiques aux axes scientifiques sont aussi organisées.
Une fois par an nous avons le Séminaire Annuel de Groupe, sur deux jours, en dehors de laboratoire.
Ce Séminaire tourne autour d'une problématique choisie, par exemple le Bilan et la Prospective du
GAHEC pour la dernière édition en février 2014.
En plus des activités internes au groupe, les personnels du GAHEC participent aux activités
propres au LabEx OCEVU en assurant l'animation scientifique des différentes composantes, en
participant aux instances de décision (COMEX, CS), ainsi qu'aux réunions générales et spécifiques qui
ont lieu entre Toulouse, Marseille et Montpellier.
Une grande partie de nos efforts depuis 2009 a été consacrée à la structuration du GAHEC et de
l'IRAP dans son ensemble, avec une forte contribution aux instances de gouvernance du laboratoire.
Nous avons vécu cette restructuration comme une opportunité de construire un groupe plus solide et
cohérent que la somme des équipes préexistantes. L'opération semble avoir été un succès si on
considère les nouvelles collaborations émergentes et les nouveaux projets engagés (ou consolidés)
pendant la période, notamment autour de l'exploitation des grands moyens de la discipline.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
85
Fiche synthétique IRAP - SISU
Présentation synthétique du Groupe
« Signal – Image en Sciences de l’Univers »
(SISU)
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
___________________________________________________________________________________________
Intitulé de l’entité : Groupe thématique « Signal – Image en Sciences de l’Univers » (SISU)
Nom du directeur de l’unité ou de l’équipe pour le contrat en cours : Y. Deville / E. Anterrieu
Nom du directeur de l’unité ou de l’équipe pour le contrat à venir : Y. Deville / E. Anterrieu
___________________________________________________________________________________________
Effectifs de l’entité (en janvier 2011 au moment de la création de l’IRAP).
6 Enseignants-chercheurs (dont 1 CNAP) ; 2 Chercheurs ; 1 Ingénieur HDR ;4 Doctorants.
Personnels ayant quitté l’entité pendant le contrat en cours (et nombre de mois cumulés passés dans l’entité au
cours de cette période).
0 statutaires (0 mois) ; 2 Post-docs (25 mois) ; 4 Doctorants (214 mois) ;.
Nombre de recrutements réalisés au cours de la période (2011 – 2014) et origine des personnels
3 Post-doctorant ; 4 Doctorants,
___________________________________________________________________________________________
Réalisations et produits de la recherche au cours de la période écoulée (1er janvier 2009 – 30 juin 2014) :
1) Dans le cadre du projet ANR DAHLIA, en lien avec le projet MUSE, nous avons proposé des méthodes de traitement
et d'analyse de données hyperspectrales variées pour : calibration instrumentale, estimation des effets de turbulence
atmosphérique, déconvolution pour étude de la cinématique des galaxies, séparation de spectres stellaires...
2) Les réalisations en séparation aveugle de sources incluent la modélisation des données étudiées, le développement
de méthodes de séparation associées et leur application fructueuse à l’imagerie hyperspectrale, pour des données
astrophysiques (voir ci-dessus) et d’observation de la Terre, en particulier en milieu urbain, conjointement à l’ONERA.
3) Pour le projet SMOS, notre méthode de réduction de l'erreur systématique de reconstruction a permis d'améliorer
significativement la qualité des inversions. Notre méthode de détection et de localisation des sources de RFI a
contribué aux efforts pour demander aux états responsables l’arrêt, sinon la mise en conformité, de ces émetteurs.
4) Le concept optique de l'Imageur de Fresnel a été validé avec un petit prototype dans le domaine visible. Ce
prototype a fourni les premières images au monde par imagerie diffractive à haut contraste sur des objets
astrophysiques (Mars et ses satellites, Sirius AB).
5) La mise en œuvre de l’interférométrie des tavelures sur les instruments PISCO a permis d’obtenir plusieurs milliers
de mesures d’étoiles doubles.
Vague A : campagne d’évaluation 2014 – 2015
janvier 2014
Fiche synthétique IRAP - SISU
___________________________________________________________________________________________
Bilan quantitatif des publications de l’entité.
13 livres, 15 chapitres de livres, 57 articles de journaux, environ 60 articles dans les conférences « majeures », 1 HDR,
7 thèses.
___________________________________________________________________________________________
Les 5 publications majeures de l’entité.
1) E. Villeneuve, H. Carfantan, “Non linear deconvolution of hyperspectral data with MCMC for studying the
kinematics of galaxies”, IEEE Transactions on Image Processing, 23(10), 4322 - 4335, Oct. 2014.
2) I. Meganem, Y. Deville, S. Hosseini, P. Déliot, X. Briottet, "Linear-quadratic blind source separation Using NMF to
unmix urban hyperspectral images", IEEE Trans. on Signal Processing, vol. 62, no. 7, pp. 1822-1833, April 1, 2014.
3) R. Guidara, S. Hosseini, Y. Deville, "Maximum likelihood blind image separation using non-symmetrical half-plane
Markov random fields", IEEE Transactions on Image processing, vol. 18, no. 11, pp. 2435-2450, Nov. 2009.
4) A. Khazaal, H. Carfantan and E. Anterrieu, “On the reduction of the systematic error in imaging radiometry by
aperture synthesis: a new approach for the SMOS space mission”, IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 6(1),
pp. 47-51, Jan. 2009.
5) L. Koechlin, J.-P. Rivet, P. Deba, D. Serre, T. Raksasataya, R. Gili, J. David, "First high dynamic range and high
resolution images of the sky obtained with a diffractive Fresnel array telescope", Experim. Astron. (2012) 33:129-140.
___________________________________________________________________________________________
Documents majeurs (autres que les publications) produits par l’entité.
1) Le logiciel SparSpec (Sparse modeling for the spectral analysis of unevenly spaced data) a été mis à disposition de
la communauté scientifique en avril 2007 sous licence GPL, disponible sur http://www.ast.obs-mip.fr/SparSpec .
Durant la période 2009-2014, il a été largement utilisé dans le domaine de la physique nucléaire pour l'identification
des modes de Alfvén dans un plasma confiné par un champ magnétique (Tokamak).
2) Réalisation de logiciels pour le coronographe du Pic du Midi + mise à disposition des observations associées.
3) Réalisation de logiciels pour les instruments PISCO et PISCO2 + mise à disposition des observations associées.
4) Des membres de SISU sont co-inventeurs, avec deux membres du CNES, d’un « Procédé et dispositif de traitement
d’image numérique d’une scène comportant au moins un objet sur-éclairé » qui a fait l’objet de la demande de
brevet d’invention 14 57236 entre le CNES, le CNRS et l’UPS en juillet 2014.
5) Enveloppe Soleau no. 345774, déposée le 20 Mars 2009 : Y. Deville, A. Deville, "Classical and quantum signal
separation methods for qubit uncoupling".
___________________________________________________________________________________________
Faits illustrant le rayonnement ou l’attractivité académiques de l’entité.
1) Diverses invitations à conférences + membres de comités d’organisation de conférences (ICA 2009, ECMS 2009, LVA
ICA 2010, ECMS 2011, LVA/ICA 2012, EUSIPCO 2012, WOSSPA 2013, ECMSM 2013, MLSP 2013, IWAENC 2014, MLSP2014)
2) Cofinancement ANR DAHLIA
3) Memorandum of Understanding avec la Russie (extension en cours avec l’Espagne)
4) Expert Support Laboratory pour le projet SMOS
___________________________________________________________________________________________
Faits illustrant les interactions de l’entité avec son environnement socio-économique ou culturel.
1) Contrat avec DEIMOS Enghenaria (Lisbonne, Portugal) : contrat ESL (Expert Support Laboratory) en lien avec le
projet SMOS.
2) Contrat avec ACRIst (Sophia-Antipolis, France) : étude de l'influence des inversions full-pol vs. dual-pol en lien avec
le projet SMOS.
3) Contrat de Recherche et Développement avec le CNES sur la « Reconstruction et correction de la tache image en
présence de sur-éclairement », d’octobre 2012 à novembre 2013 (montant : 70 k€).
4) Actions de diffusion auprès du grand public dans le domaine de l’astronomie en lien avec le coronographe du Pic du
Midi (contribution des observateurs associés).
5) Actions de diffusion auprès du grand public dans le domaine de l’astronomie via le club d’astronomie de Villemur.
___________________________________________________________________________________________
Principales contributions de l’entité à des actions de formation.
1) Des membres SISU sont responsables des formations Master 1 et Master 2 « Signal, Imagerie et Applications » de
l’Université Paul Sabatier (UPS) de Toulouse et de nombreuses unités d’enseignement de diverses formations UPS.
2) Encadrement de doctorant SISU de différentes Ecoles Doctorales (MITT, SDU2E, GETT) + membre de conseil MITT.
3) Actions de formation permanente au CNRS : programmation sous Matlab (logiciel de traitement signal / image / …).
Vague A : campagne d’évaluation 2014 – 2015
janvier 2014
Section des unités de recherche
2.5 Groupe SISU : Signal Image pour les Sciences de l’Univers
Liste des Contributeurs au bilan du groupe SISU
Chercheurs et enseignants-chercheurs : Y. Deville (PR 61, responsable) – H. Carfantan (MCF 61) –S.
Hosseini (MCF 61) – S. Karoui° (Chercheur associé) - L. Koechlin (A) – J.-P. Pereze (PR 30 Emérite) – J.-L .
Prieur (CR 17) – S. Roques (DR 17) – J.-F. Trouilhet (MCF 61)
ITAs : E. Anterrieu (IR HDR, adjoint) – P. Deba* (CDD) - C. Parisel°* (IE)
Post-Doctorants : Meganem°* (2012-2013) - M. Puigt* (2008-2009) – K. Sabri (2009-2010)* - A. Selloum°
(2011-2015) – E. Villeneuve°* (2012-2013)
Doctorants : D. Benachir° (2011-2014) - A. Boulais° (2013-2016) – C. Chaouchi* (2007-2011) – R. Guidara*
(2005-2009) - L. Jarboui° (2013-2016) – S. Karoui (2008-2012) – A. Khazaal* (2006-2009) – I. Meganem°*
(2009-2012) – T. Raksasataya* (2007-2010) - C. Revel° (2013-2016) – H. Saylani* (2005-2009) – E.
Villeneuve°* (2009-2012)
° arrivée au cours de la période de référence ; * départ au cours de la période de référence ; e émérite ; § chercheur
associé ; # en détachement ; † rattachement secondaire.
2.5.1
Introduction
Le groupe thématique « Signal-Image en Sciences de l'Univers » (SISU) comprend actuellement
8 chercheurs permanents (1 PR, 1 PR émérite, 1 A, 1 DR, 3 MCF et 1 CR), 1 IR HDR ayant une
activité de recherche et 1 chercheur associé. S’y ajoutent à ce jour un post-doctorant, quatre doctorants,
ainsi que des stagiaires.
Les thèmes de recherche de ce groupe sont essentiellement liés au traitement du signal et de
l'image en en Sciences de l'Univers, particulièrement en astrophysique et télédétection (observation de
la Terre), avec des implications dans des domaines connexes tels que le développement instrumental et
le calcul scientifique. Le caractère pluridisciplinaire de cette activité explique la présence dans l'équipe
de chercheurs en traitement du signal/image, d'astronomes et d'informaticiens. Les volets
méthodologiques des recherches menées dans le groupe sont principalement développés dans un but
d'application en astrophysique et plus largement en Sciences de l'Univers. Ces études variées
bénéficient d'étroites collaborations avec tous les groupes thématiques de l'IRAP, ainsi que d'autres
laboratoires de l'OMP.
L'ancrage majeur du groupe SISU dans le domaine signal-image apparaît aussi dans l'importante
participation de ses membres au GDR ISIS (Information, Signal, Image et viSion) de l’INS2I du
CNRS, ainsi que dans les liens de SISU avec l'Université Paul Sabatier (UPS) de Toulouse. En effet,
tous les enseignants-chercheurs en exercice de SISU sont en 61ème section, ce groupe rassemble le
coeur des activités de recherche à l'UPS en Traitement du Signal, et les membres de SISU sont
responsables des Masters 1 et 2 « Signal, Imagerie et Applications » de l'UPS, ainsi que du parcours
« Télédétection » de ce Master 2. De même, le groupe SISU pilote l'Axe Tranverse « Analyse et
Traitement de données » de l'OMP. Il organise ainsi des journées thématiques pour l'ensemble de
l'OMP, en plus de l'animation interne au groupe, qui s'articule en particulier autour de réunions
mensuelles incluant des exposés scientifiques.
Le rayonnement du groupe SISU se traduit aussi par sa participation à l'organisation de
nombreuses conférences internationales et par une activité importante de production d'ouvrages
pédagogiques, dont les thèmes vont du traitement du signal à la physique quantique pour les ouvrages
nouveaux parus dans la période considérée.
2.5.2
Problèmes inverses, déconvolution et reconstruction d'images
Différents types d'actions ont été conduits sur le thème de l'inversion de données en Sciences de
l'Univers (astrophysique ou observation de la Terre) en général et en particulier sur la déconvolution et
la reconstruction d'images.
Nous avons travaillé sur des problèmes de déconvolution de données hyperspectrales (deux
dimensions spatiales et une dimension spectrale) en préparation de l'instrument MUSE, dans le cadre
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
88
Section des unités de recherche
du projet DAHLIA (Dedicated Algorithms for HyperspectraL Imaging in Astronomy) de l'ANR, en
collaboration avec le CRAL à Lyon, l'OCA à Nice et le LSIIT à Strasbourg. En particulier, nous avons
proposé des méthodes de calibration et d'estimation de la réponse de la chaîne d'acquisition de MUSE
(Point Spread Function, ou PSF, 3D variable spatialement et spectralement) (Serre et al. 2010,
Villeneuve et al. 2001) ainsi que des méthodes de déconvolution de telles données exploitant la
structure des objets étudiés, comme la cinématique des galaxies (Villeneuve et Carfantan 2012), la
parcimonie spatiale d'objets non résolus ou la parcimonie spectrale dans un dictionnaire ad-hoc pour
des objets diffus (Bourguignon et al. 2011a, Bourguignon et al. 2011b). Suivant les problèmes, le
développement de techniques d'optimisation ou d'échantillonnage stochastique spécifiques nous
permet de calculer la solution.
Les travaux en reconstruction d'images en synthèse d’ouverture pour le projet SMOS (lancé en
novembre 2009) se sont poursuivis dans un contexte contractuel avec l’ESA qui, via notre équipe,
reconnaît l’IRAP comme un ESL (Expert Support Laboratory). La qualité des données
interférométriques acquises, qui s’est avérée variable d’un couple d’antenne à l’autre en raison du
principe de fonctionnement du mode polarimétrique de l’instrument, a été prise en compte par
l’intermédiaire d’une approche des moindres carrés pondérés qui a permis de réduire sensiblement la
propagation du bruit radiométrique lors de l’inversion des données (Khazaal et al. 2009a, Khazaal et
Anterrieu 2009) et de prendre en compte d’éventuelles pannes de corrélateurs (Khazaal et al. 2012a).
La période de la recette en vol qui a suivi le lancement a été l’occasion de constater l’ampleur d’un
phénomène de pollution par des interférences radio attendu, mais mal quantifié (Anterrieu 2011a,
Anterrieu 2011b, Anterrieu et Khazaal 2011c). L’équipe a proposé une méthode de détection et de
localisation de ces émetteurs basée sur une optimisation paramétrique non-linéaire (Anterrieu et al.
2012a, Anterrieu et al. 2012b). Cet outil a contribué, avec d’autres, aux efforts pour demander aux
états responsables, preuves à l’appui, l’arrêt, sinon la mise en conformité, de ces émetteurs (Kerr et al.
2012).
Nous avons travaillé avec A. Lannes (L2S, Paris), sur l'auto-calibration de phase pour la
synthèse d'ouverture en astronomie (Lannes et Prieur 2011), et la calibration dans les réseaux GNSS
(Global Navigation Satellite System) en géodésie (Lannes et Prieur 2014). Nous proposons une
approche similaire pour traiter ces deux problèmes en étendant la notion de clôture à des boucles
d'ordre quelconque, sans calculer explicitement ces clôtures en astronomie ou ces doubles différences
en géodésie. Nous avons étudié en détail les principales méthodes de résolution proposées dans la
littérature, que nous avons réussi à relier à notre « solution de référence ». En 2013, nous avons
proposé une méthode originale et performante pour la résolution du problème annexe de résolution des
ambiguïtés entières (Lannes et Prieur 2013).
Nous avons démarré l'étude de l'inversion des paramètres fondamentaux (tels que Teff, LogG,
M/H et Vsini) à partir de spectres stellaires haute résolution (collaboration avec le groupe PSE de
l'IRAP). Nous avons, dans un premier temps, mis l'accent sur l'extraction et le conditionnement de
l'information pertinente afin de permettre une estimation satisfaisante des paramètres par comparaison
des données à des spectres synthétiques d'une base de données de très grande taille.
En collaboration avec D. Ling (Univ. d'Atlanta, USA), nous avons commencé à étudier le
problème de classification non supervisée des sources X détectées par le satellite XMM-Newton.
Enfin, dans le cadre d'un contrat avec le CNES, nous avons étudié un problème de
déconvolution d'images d'observation de la Terre en présence de saturation. Un brevet va être
prochainement déposé sur une des méthodes proposées.
2.5.3
Séparation aveugle de sources
La séparation aveugle de sources (SAS), aussi appelée « démélange », concerne le traitement de
données de natures variées, telles que des séries temporelles, des signaux de spectroscopie, des images
éventuellement disponibles sous forme de cubes de données hyperspectrales. Partant ainsi de données
mesurées qui sont des combinaisons (ou « mélanges ») de contributions élémentaires (ou « sources »)
inconnues, la SAS a pour objectif d'estimer ces sources. Les travaux de l'équipe portent principalement
sur le développement de nouvelles méthodes de SAS et sur trois de leurs champs d'application.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
89
Section des unités de recherche
Ces recherches méthodologiques couvrent diverses voies, qui concernent à la fois les types de
mélanges mis en jeu et les principes de séparation utilisés. Ainsi, au-delà des classiques mélanges
linéaires instantanés invariants non bruités, les activités de l'équipe couvrent aussi largement les
mélanges linéaires instantanés variants (Meganem et al. 2013) et différentes classes de mélanges nonlinéaires ou bruités (Deville et Hosseini 2011, Deville et al. 2011, Deville 2012, Deville et Deville
2012, Hosseini et Deville 2013, Meganem et al 2014). De même, du point de vue des principes des
méthodes de SAS, des extensions de l'Analyse en Composantes Indépendantes (ACI) sont tout d'abord
développées, en particulier pour des mélanges non-linéaires (Deville et al. 2011, Deville 2012, Deville
et Deville 2012, Hosseini et Deville 2013), en prenant en compte la non-stationnarité des
signaux/images et/ou en utilisant une modélisation markovienne des signaux/images (Hosseini et al.
2009, Guidara et al. 2009a, Guidara et al. 2009b, Koldovsky et al. 2009). L'élaboration de méthodes
fondées sur la parcimonie et/ou sur l'analyse temps-fréquence/ondelettes se poursuit, en particulier
pour traiter des mélanges d'images (Karoui et al. 2012). L'effort relatif aux méthodes tirant parti de la
non-négativité des données a été intensifié sur la période considérée (Karoui et al. 2012), en particulier
pour traiter les mélanges linéaires-quadratiques (Meganem et al. 2014). Enfin, le périmètre des
recherches a été étendu aux méthodes bayésiennes, en lien étroit avec une application astrophysique
(Selloum et al. 2013).
L'astrophysique constitue le premier champ d'application naturel des méthodes de SAS à l'IRAP.
L'équipe participe en particulier à l'analyse de spectres émis par des champs denses d'étoiles, dans le
cadre du projet européen MUSE, complété par le projet ANR DAHLIA jusqu'à récemment. Des
performances intéressantes ont ainsi été obtenues à l'aide de méthodes originales de SAS dédiées à une
classe paramétrique de mélanges variants, qui rendent compte de la PSF mise en jeu dans le projet
MUSE (Meganem et al. 2013). Nos activités en Astrophysique incluent aussi l'analyse de signaux
issus de spectroscopie sans fente dans le cadre de la mission spatiale EUCLID de l'ESA. La
télédétection (observation de la Terre) constitue un champ d'application adjacent à l'astrophysique.
Dans ce cadre, l'équipe mène notamment des recherches communes avec (i) l'ONERA Toulouse,
concernant le traitement de modèles de mélange originaux (linéaires-quadratiques) de spectres de
réflectance (Meganem et al. 2014), que nous avons développés pour le milieu urbain, en partie dans la
perspective de la mission spatiale HYPXIM pilotée par le CNES, et (ii) le Centre des Techniques
Spatiales d'Algérie, dont un chercheur est membre associé de SISU (Karoui et al. 2012). Enfin, en lien
avec la physique quantique, des méthodes de « séparation de sources quantiques » ont été proposées
en collaboration avec l'Université de Marseille, pour traiter le problème original du découplage d'états
de bits quantiques (qubits) après couplage indésirable de type Heisenberg (Deville 2012, Deville et
Deville 2012).
2.5.4
Analyse spectrale et recherche de périodicité
De nombreux phénomènes astrophysiques soulèvent des problèmes d'analyse spectrale, en
particulier dans les domaines de l'astérosismologie, où l'objectif est de retrouver des périodicités dans
les données, liées à des phénomènes d'oscillations stellaires. Pour des observations effectuées par des
télescopes au sol, il est assez courant que les données à disposition soient incomplètes (alternance
jour/nuit) ou irrégulièrement échantillonnées. Dans ce cadre, nous avons poursuivi nos travaux
exploitant la parcimonie des spectres recherchés avec des techniques d'estimation par optimisation ou
échantillonnage stochastique (Bourguignon et Carfantan 2013) ainsi que sur des problèmes de
déconvolution impulsionnelle en relation avec des collègues de l'IRCCYN, Nantes (Bourguignon et al.
2011c). En collaboration avec des chercheurs du MIT et de l'EPFL, nous avons également appliqué ces
méthodes à des problèmes de physique nucléaire pour l'identification de modes de Alfvèn dans un
plasma confiné par un champ magnétique (Tokamak) (Panis et al. 2010, Testa et al. 2010, Testa et al.
2011).
2.5.5
Instrumentation
Une mission SMOSnext soutenue par la communauté scientifique du secteur de l'hydrologie et
des sciences de la Terre est à l'étude au CNES. Ce nouveau SMOS, dont l’objectif est d’améliorer la
résolution spatiale d’un facteur 10, repose sur une idée innovante de reconstruction par interférométrie
spatio-temporelle (Cabot et al. 2012). L’équipe est chargée contractuellement par le CNES de
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
90
Section des unités de recherche
développer un simulateur numérique de l’instrument afin de valider le concept et de fixer certains
paramètres de l’instrument. Le champ électromagnétique incident est modélisé dans la bande L sous la
forme d’une somme de trains d’onde de durée finie (temps de cohérence). Compte tenu des fréquences
mises en jeu, les premiers développements ont rapidement montré la nécessité de faire appel à des
architectures massivement parallèles de type GPU (Anterrieu et Cabot 2013b). Parallèlement à cette
activité de simulation, l’équipe participe à la validation du concept instrumental de SMOSnext par
d’autres moyens, théoriques et pratiques.
De 2009 à ce jour, nous avons poursuivi la validation de l'imageur de Fresnel dans le visible à
Toulouse et à Nice, puis construit et testé un prototype UV à Toulouse. Ceci a par ailleurs permis de
progresser dans la fabrication des grilles diffractives et occasionné un transfert technologique en
micro-usinage laser. Nous avons testé la faisabilité des miroirs de Fresnel UV blazés pour la
correction du chromatisme. Nous avons développé le nouveau prototype adapté à l'UV à l'IRAP et
avons testé sa qualité d'image sur des sources artificielles à 260 nm de longueur d'onde. Depuis 2010,
nous travaillons en collaboration avec le réseau NUVA (network for utltra-violet astronomy).
Bien que les coronographes et lunettes solaires du Pic du Midi soient un service d'observation
INSU et ne fassent pas l'objet de développement instrumental en tant que tel, nous avons testé dessus
un nouveau type de grille de Fresnel qui sert maintenant d'objectif pour le guidage de ces instruments.
Nous avons appliqué l'interférométrie des tavelures sur l'instrument PISCO1 à Merate (Italie)
(Prieur et al. 2009, 2010, 2012, Scardia et al. 2011, 2012) et mis au point un nouvel instrument,
PISCO2, à Nice avec un autre correcteur de dispersion atmosphérique et son logiciel de pilotage. Le
développement du traitement temps réel a permisd'obtenir plusieurs milliers de mesures d’étoiles
doubles. L'instrumentPISCO1 est en cours d'installation à Calern (OCA) avec un
programmed'observation des nouvelles étoiles doubles découvertes par GAIA.
Figure 16 : étude de concept pour un observatoire astronomique spatial de grande dimension utilisant le vol en formation et
une grande lentille de Fresnel déployable.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
91
Section des unités de recherche
2.6 Actions pluridisciplinaires
2.6.1
Physique fondamentale, Astroparticules et Cosmologie
Liste des Contributeurs
Chercheurs et enseignant-chercheurs : A. Blanchard (responsable, GAHEC, IRAP), J.L. Atteia (GAHEC,
IRAP), R. Battesti (LNCMI-UPS), , A. Dupays (GAHEC, IRAP), M. Fouché(LNCMI-UPS), P. Jean (GAHEC,
IRAP) B. Lamine (GAHEC, IRAP), J. Knödleseder (GAHEC, IRAP), J.F. Olive (GAHEC, IRAP), C. Rizzo
(LNCMI-UPS), G. Soucail (GAHEC, IRAP)
Post-Doctorants : T. Brandt
Doctorants : P. Delsart, A. Alexis
La priorité de cette action pluri-disciplinaire a été de développer une animation scientifique sur
les thématiques relevant du domaine de l’astroparticule et de la physique fondamentale dans l’objectif
de favoriser les échanges et les actions communes entre chercheurs des différents laboratoires du
campus Toulousain. Elle se situe dans la continuité de l’action ASPHON, action qui comprenait des
chercheurs du CESR, du LATT, du LCAR et du LNCMI.
Les questions dont l’intérêt relève de l’action « Physique Fondamentale, Astroparticules et
Cosmologie » sont des questions de physique fondamentale sur lesquelles les outils de l'astrophysique
peuvent apporter des réponses décisives, souvent par l'application d'une théorie au delà du domaine
d'étude accessible en laboratoire, et par l'exploration des problématiques pour lesquelles le
cadre théorique n'a pas encore été validé. L’observation astronomique est ainsi la voie privilégiée,
parfois unique, d’étude de phénomènes qui relèvent de la physique fondamentale : nature du vide,
phénomènes d’émissions de particules de très hautes énergies, physique en champs magnétiques et
gravitationnels intenses, équation d’état de la matière ultra-dense, nature et caractéristiques de la
matière noire, gravitation quantique, nature et origine de l’accélération gravitationnelle à l’échelle de
l’univers, physique de l’univers primordial. L’observation, la modélisation et l’interprétation théorique
sont au cœur des progrès dans ces domaines. Elles permettent aux chercheurs du campus de s’engager
tant du point de vue instrumental que dans la modélisation, et dans une approche plus fondamentale.
L’université Paul Sabatier a soutenu cette démarche, en premier lieu par un action du conseil
scientifique sur la période 2009-2010. Celle-ci a permis l’organisation d’une vingtaine de séminaires
(voir le site : http://www.irap.omp.eu/recherche/Actions-Pluridisciplinaires/physfond/asphon ainsi que
la présentation sur le web campus de France Culture: http://plus.franceculture.fr/partenaires/toulouseiii-paul-sabatier/astrophysique-et-physique-fondamentale-0), le recrutement d’un post-doc au CESR
de douze mois et l’attribution d’une bourse de doctorat (Anthony Alexis, CESR puis IRAP). Cette
activité de séminaires se poursuit depuis à un rythme plus modéré. Cette opération est conçue comme
un creuset pour faciliter l’émergence de projets, relevant de son champ thématique, susceptibles
d’impliquer des chercheurs du campus Toulousain et au-delà. En réponse à un nouvel AO du conseil
scientifique de l’UPS pour la période 2011-2012, il a été proposé la création d’un poste de Maître de
conférences, cette proposition a été retenue et un poste a été ouvert en 2013 qui a permis le
recrutement de Brahim Lamine à l’IRAP. Grâce au soutien du GRAM des ateliers sur le thème "Vide
Quantique et Gravitation" ont été organisés en 2012 et 2013 et dont les présentations sont disponibles
sur le site IRAP de l’action (http://www.irap.omp.eu/recherche/Actions-Pluridisciplinaires/physfond).
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
92
Section des unités de recherche
2.6.2
Plasmas astrophysiques,
Liste des Contributeurs
Chercheurs et enseignant-chercheurs : E. Jourdain (responsable, CR 17), R. Belmont (MCF 34) , P.L.
Blelly (DR 17), F. Forme (PR 34), J. Malzac (CR 17) , Ch. Peymirat (PR 34), J.P. Roques (DR 17)
Post-Doctorants : M. Burke, N. Sartore
Doctorants : D. Sarria
Cette action pluridisciplinaire s’articule autour des processus physiques associés aux plasmas
astrophysiques et vise à réaliser une synergie entre des thématiques scientifiques développées à la fois
en Astrophysiques et en Géophysique. Elle met donc en parallèle les phénomènes que l’on rencontre
dans des plasmas de haute énergie autour des objets compacts Galactiques (Binaires X) ou
extragalactiques (AGNs) et dans les environnements planétaires, avec une priorité donnée aux
processus associés aux émissions de rayonnements gamma et X dans l’atmosphère terrestre, au-dessus
des zones orageuses. Nos objectifs recouvrent le développement d’outils communs pour la
modélisation des mécanismes d’émission et le partage d’expertise pour l’analyse et l’interprétation des
données.
Pour le premier aspect (objets compacts), nous travaillons à partir d’observations fournies par le
spectromètre SPI (mission INTEGRAL). Concernant l’application environnementale, l’objectif visé
est de fournir un outil d’analyse et d’interprétation des données qui seront acquises par la mission
TARANIS, dans laquelle le laboratoire à la responsabilité instrumentale des expériences électrons
relativistes et photons X et gamma.
Le résultat majeur obtenu durant ces 5 années est sans conteste la mesure de polarisation dans
l’émission haute énergie (250-800 keV) de la binaire X Cyg X-1 (Jourdain et al. 2012b, Chauvin et al.
2013). La fraction de polarisation élevée dans l’état dur et sa disparition dans l’état soft (Jourdain et al.
2014) rend très probable l’association de cette composante à une émission synchrotron venant du jet,
en prolongement de l’émission radio très communément observée dans cette source. Ce résultat, tout à
fait surprenant, a révolutionné notre vision de l’émission haute énergie des binaires X, même si elle
n’a pu être réalisée que dans une seule source (la plus brillante du ciel dans ce domaine en énergie), et
nous porte à penser que dans d’autres objets, le jet pourrait également contribuer de manière
significative à l’émission haute énergie. Il est d’ailleurs important de noter que les observations
réalisées par SPI ont permis effectivement de mettre en évidence, dans plusieurs binaires X, la
présence d’une composante haute énergie, similaire à celle de Cyg X-1, même si les flux plus faibles
ne permettent pas de tester une éventuelle polarisation (Droulans & Jourdain, 2009, Droulans et al.
2010, Droulans, 2011) . En revanche, des mesures de polarisation ont été obtenues dans 2 sursauts
gamma mais leurs significativités restent marginales. Ces mesures complètent les informations
recueillies dans les analyses spectrales et temporelles beaucoup plus classiques (Molkov et al. 2010,
Cabanac et al. 2011, Jourdain et al. 2012a). Dans le domaine extragalactique, les données X-durs sont
tout autant primordiales pour distinguer les contributions respectives du jet et des régions centrales
(Burke et al. 2014, Burke et al. soumis).
Les données INTEGRAL/SPI ont également contribué à améliorer notre connaissance des
émissions diffuses liées à notre Galaxie, que ce soit l’émission due à l’annihilation des positrons
(Bouchet, et al.2010,), à la nucléosynthèse des éléments lourds à travers la désintégration de l’26Al
(Wang et al. 2009, Diehl et al. 2010, Bouchet et al. en préparation) ou aux interactions des particules
du rayonnement cosmique avec les photons ambiants par inverse Compton (Bouchet et al. 2011).
L'étude des binaires gamma Cyg X-3 et LS 5039 a de son côté permis d'expliquer la détection
de photons jusqu'au GeV ou au TeV. Produits par des électrons ultra-relativistes, accélérés dans le jet
de l'objet compact ou le choc, qui rencontrent le rayonnement de l'étoile compagnon, ils sont en
théorie aussitôt absorbés par effet photon-photon. En fait, la modélisation de ces processus montre que
l'émission se propage au loin par cascade de paires, permettant à certains photons de s'échapper
(Cerutti et al. 2010 ; Cerutti et al. 2011).
Pour la partie environnementale, l’action a été axée autour de la thèse de David Sarria. Il a
développé et mis au point un modèle Monte Carlo qui permet de décrire le transport couplé des
photons X et gamma, des électrons et des positrons dans l’atmosphère terrestre depuis la zone de
production des photons (dans les noyaux orageux) jusqu’à l’altitude du satellite (600-700 km) où la
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
93
Section des unités de recherche
détection se fera. L’objectif est de pouvoir caractériser les sources d’émissions à partir de la mesure et
pour cela, il est indispensable de prendre en compte l’altération induite par le transport dans
l’atmosphère. Le modèle est opérationnel et a été validé par comparaison au modèle GEANT 4. Les
résultats préliminaires démontrent les grandes capacités du modèle à décrire la dynamique des
particules et la grande disparité spatiale et énergétique qu’imposent les interactions avec les noyaux
diffuseurs que sont les molécules de l’atmosphère. Un article est en préparation, pour lequel une
soumission est prévue avant la fin de l’été.
Au niveau instrumental, cette action pluridisciplinaire s’appuie sur le spectromètre SPI à bord
de la mission INTEGRAL (responsabilité de l’instrument, des calibrations et de la maintenance en
vol ; Jourdain & Roques, 2009), les instruments IDEE et XGRE du satellite TARANIS (CNES/DGA)
en cours de développement, pour un lancement prévu fin 2016. De plus, un nouveau plan de détection
en germanium strippé a été développé dans le cadre d’une R&T CNES, avec une capacité de
localisation 3D, qui ouvre des perspectives prometteuses pour l’étude des émissions X-dur et en
particulier de leur polarisation (Chauvin 2011, Roques et al. 2012, Mateu et al. 2014, Mateu 2014).
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
94
Section des unités de recherche
3 Implication de l’unité dans la formation par la recherche
Les enseignants-chercheurs et chercheurs de l’IRAP sont très impliqués dans la formation par la
recherche, au niveau master comme au niveau doctoral.
Au niveau master, nous sommes impliqués dans 10 formations :
- Master 2 ASEP (Astrophysique, Sciences de l’Espace, Planétologie), ~20 étudiants/an
(responsabilité de la formation),
- Master 2 TSI (Techniques Spatiales et Instrumentation), ~20 étudiants/an (responsabilité de la
formation),
- Space Master 5 (Master Européen en Sciences de l’Espace et Technologie), ~5 étudiants/an
(co-responsabilité de la formation),
- Master 2 SIA (Signal Imagerie et Applications), ~40 étudiants/an, (responsabilité de la
formation),
- Master 2 TP (Terre et Planètes), ~10 étudiants/an,
- Master 1 ATS (Astrophysique et Techniques Spatiales), ~25 étudiants/an (responsabilité de la
formation),
- Master 1 SIA (Signal Imagerie et Applications), ~30 étudiants/an, (responsabilité de la
formation),
- Master 1 MEEF (Métiers de l'Enseignement, de l'Education et de la Formation, Second degré,
CAPES de SVT), ~35 étudiants/an (responsabilité de la formation),
- Master 1 GTPRM (Géosciences: Terre, Planètes, Ressources, Matériaux), ~30 étudiants,
- Préparation à l’Agrégation de Physique ~10 étudiants/an (co-responsabilité de la formation),
Par ailleurs, depuis 2007, deux enseignants chercheurs de l’IRAP ont pris consécutivement la
responsabilité de la mention Physique et Astrophysique, qui regroupe au niveau master les spécialités
PM (Physique de la Matière), 3N (Nanophysique, Nanocomposant, Nanomesure), ASEP, TSI, DIM
(Diagnostics, Instrumentations et Mesures) et IM2P2 (Ingénierie de la Matière : Modélisation des
Processus Physiques).
Depuis 2012, six enseignants chercheurs de l’IRAP, spécialisés dans les enseignements de la
physique nucléaire, des capteurs de rayonnements nucléaires et de la radioprotection, ont participé à la
définition et la mise en place d’un nouveau Master pour former des étudiants dans le domaine de la
production d’électricité (nucléaire et énergie renouvelable) en partenariat avec le groupe EDF. Ce
Master 2 « Physique de l’Energie et de la Transition Energétique » (PEnTE) ouvrira en septembre
2014.
L’IRAP accueille chaque année une vingtaine d’étudiants en stage obligatoire des Master 2
ASEP, SIA, TSI et TP d’une durée de 4 à 6 mois, des élèves (formation continue) en stage de fin
d’étude de l’IPST-CNAM, des élèves ingénieurs en année de césure, ainsi que des étudiants de
Licence (L2,L3), Master (M1) ou d’Ecole d’Ingénieur pour des stages d’initiation à la recherche
(durées variables).
Au niveau doctoral nous encadrons les thèses inscrites dans trois écoles doctorales de l’UPS :
- Sciences de l’Univers, de l’Environnement et de l’Espace (SDU2E, 86% des thèses de
l’IRAP) pour les sujets à thématique finalisée en astrophysique, planétologie et Terre solide.
- Mathématiques Informatique Télécommunications de Toulouse (MITT, 7% des thèses) pour
les sujets purement méthodologiques en traitement du signal et de l’image.
- Génie Electrique, Electronique, Télécommunications (GEET, 2% des thèses) pour les sujets
méthodologiques en instrumentation électronique spatiale.
Chaque année 10 à 20 nouveaux doctorants commencent leur thèse à l’IRAP. Les modes de
financement sont variés : 3 à 6 contrats doctoraux de l’UPS (SDU2E et MITT), auxquels se rajoutent
une dizaine de thèses bénéficiant d’autres financements publics CNES, CNRS, Région, ANR, LABEX
Ce Space Master regroupe six pays, la France, l’Angleterre, l’Allemagne, la République Tchèque, la Suède et la
Finlande
5
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
95
Section des unités de recherche
OCEVU, ONERA, CEA et quelques financements (ou co-financements) provenant des industries avec
lesquelles nous avons des relations contractuelles fortes : ASTRIUM, TAS, SAGEM, MICROTEC,
EDF. Nous accueillons aussi régulièrement quelques salariés ou étudiants financés par leur pays
d’origine qui préparent leur thèse à l’IRAP en co-tutelle ou non.
La politique de l’IRAP en matière d’affichage des sujets de thèse a évolué depuis la création de
l’IRAP. Sur les deux premières années les groupes thématiques ont priorisé certains sujets de thèse
selon leur stratégie scientifique. Le bilan de ces deux premières années nous a convaincu que cet
exercice difficile s’avérait inutile et même parfois nuisible. En effet toutes les tentatives pour
réorienter les étudiants vers les sujets les plus prioritaires ont échoué, ou pire, ont orientés quelques
très bons étudiants vers d’autres laboratoires que l’IRAP.
Au total, ce sont environ 100 doctorants qui ont soutenu ou préparé une thèse à l’IRAP (période
de soutenance allant de 2011 à 2014).
La liste détaillée des doctorants et thèses figure sur l’une des « feuilles » du fichier « exell »
annexé suivant : ANNEXE_9_donnees_du_contrat_en_cours.xlsx
Nous présentons ci-dessous des tableaux de synthèse. Les principaux modes de financement
sont les contrat doctoraux pour 55% (anciennement bourses ministérielles) ainsi que les bourses cofinancées par le CNES, le CNRS et d’autres organismes de recherche (CEA, ONERA, DGA) : 14%
des financements. La Région Midi Pyrénées contribue pour 5% des financements, les ANR et LABEX
pour 4%, les industriels pour 6%, et les étudiants étrangers financés par leur pays ou le MAE
représentent 14% des thèses.
La durée moyenne de réalisation des thèses de doctorat à l’IRAP a été de 39 mois. Elle a
sensiblement diminué sur la période 2010 - 2013, passant de 42,7 mois en 2010 (source Ecole
Doctorale SDU2E) à 38,8 mois en 2013. L’objectif est que toutes les thèses soient soutenues en moins
de 36 mois. La direction de l’IRAP mène régulièrement des actions de sensibilisation dans ce sens
auprès des étudiants et de leurs encadrants. Afin d’assurer un suivi scientifique des thèses à l’IRAP,
nous avons mis en place des Comités de thèse (cf règlement intérieur). Ceux ci sont placés sous la
responsabilité des groupes thématiques. Ils rencontrent le doctorant au moins deux fois pendant la
thèse : en première et en deuxième année. Les Comités de thèse ont finalement été généralisés au
niveau de l’école doctorale SDU2E à la rentrée 2014.
5 doctorants ont soit échoué (1 échec), soit abandonné leur travail de thèse (4 abandons). Dans
chacun de ces cinq cas, un suivi rapproché a été réalisé qui a impliqué personnellement le directeur de
l’IRAP et son conseiller spécial aux doctorants. Ce suivi s’est toujours déroulé sur une période d’au
moins un an, avec parfois un essai de réorientation du travail de thèse. Il est difficile de tirer des leçons
sur des nombres aussi petits. Mais en tout état de causes il s’agissait soit d’étudiants situés en « queue
de liste » de la sélection des écoles doctorales (2 cas), soit de doctorants n’ayant pas eu à passer le
concours sélectif d’une école doctorale (3 cas). La sélection organisée par les écoles doctorales
pour attribuer les contrats doctoraux nous semble donc un mécanisme très important pour
prévenir les échecs de thèses. Il faudrait la rendre obligatoire, même pour les thèses qui ne sont
pas financées par les écoles doctorales.
Année N
Nb de thèses
débutées
Année N
Nb de thèses
soutenues
2007
2008
2009
2010
2011 (IRAP)
2012 (IRAP)
11
12
14
10
14
10
11
11
11
9
2
0
2013 (IRAP)
20
0
Totaux
91
44
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
Durée
moyenne des
thèses par
année de
début (mois)
Nb Abandon
ou échec
43,5
40,5
37,9
38,6
0
1
3
1
5
Nb de thèses
soutenues
Année N
Durée
moyenne par
année de
soutenance
(mois)
16
15
42,4
39,3
9
38,8
40
96
Section des unités de recherche
Financement des thèses
Nb
(+ cofinanceur)
Allocations doctorales
53
Ecoles doctorales UPS
ENS
Ecole Polytechnique
CNES cofinancées
(+ Région)
(+ CNRS)
(+ DGA)
(+ ASTRIUM)
(+ MICROTEC)
(+ NOVELTIS)
(+ SAGEM)
49
3
1
Autre
CNRS
(+ THALES)
1
100% CNRS
2
15
5
4
1
1
1
1
1
3
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
2
15
3
1
1
4
1
1
1
1
1
1
LABEX OCEVU
1
CEA
EDF
Etranger
Algérie
Allemagne
Chili
Chine
Finlande
Japon
USA (JPL)
Maroc
Tunisie
Vietnam
Région
ANR
ASTRIUM
ONERA
Total
2
5
3
1
1
96
1
97
Section des unités de recherche
Pour analyser le devenir de nos docteurs nous avons considéré les promotions des docteurs de
l’IRAP ayant soutenu de 2007 à 2012 (données complètes à 92%). Les deux graphes ci-dessous
présentent les données en notre possession. De façon évidente le devenir des docteurs dépend de
l’antériorité depuis la soutenance. La majorité de nos docteurs choisissent de continuer la recherche
par un contrat post-doctoral, le plus souvent à l’étranger, et ce n’est qu’à l’issue de 3 à 6 années de ce
type de contrat qu’ils intègrent éventuellement la recherche publique.
Globalement, 22% de nos docteurs sur la période analysée ont aujourd’hui un poste dans la
recherche publique, 8% enseignent dans le secondaire, 23% ont un poste dans l’industrie, 42% sont en
contrat post-doctoral et 5% sont sans activité ou en recherche d’emploi. Ces chiffres montrent que
même si la proportion de docteurs formés à l’IRAP qui intègrent le monde des entreprises est encore
relativement faible (23%) et doit être augmentée afin de mieux satisfaire notre mission de « formation
par la recherche » , cette proportion est à l’IRAP sensiblement supérieure à ce qu’elle est dans
l’ensemble des laboratoires de l’OMP : 15% pour les docteurs issus de l’école doctorale SDU2E.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
98
Section des unités de recherche
4 Stratégie et perspectives scientifiques,
4.1 Stratégie générale
L’IRAP n’a que quatre années d’existence, la prochaine période quinquennale sera donc une
période de consolidation de notre UMR. Notre principal objectif, si ce n’est le seul, restera d’être
reconnu comme un institut de recherche sol-espace de classe mondiale dans le domaine de
l’astrophysique et de la planétologie.
Les contours scientifiques de l’IRAP resteront les mêmes et la seule évolution notable en terme
d’organisation scientifique consistera dans la création d’un groupe thématique de « Géophysique
Interne » issu du groupe GPPS. Ce groupe ne partageait effectivement que très peu de développements
méthodologiques avec les autres équipes du groupe GPPS, et ayant ses objectifs scientifiques propres,
il peut fonctionner de façon autonome, en relation directe avec la direction de l’IRAP.
4.1.1
Objectifs scientifiques
Les enjeux scientifiques majeurs pour lesquels les collectifs de l’IRAP se mobiliseront pour
cette période sont tout d’abord ceux qui concernent l’achèvement et l’exploitation scientifique des
missions et instruments récemment livrés ou en fin de construction :
-
-
-
-
-
concernant l'orbiteur magnétosphérique MMO de la mission BepiColombo pour lequel les
deux analyseurs d'électrons MEA construits par l'IRAP sont en cours de livraison à la
JAXA et qui doit être lancée vers Mercure en 2016, son insertion orbitale autour de Mercure
n’est prévue qu’en 2022. Il faudra donc assurer la mise en veille des activités instrumentales,
s’assurer que les compétences nécessaire à la mise en marche et l’utilisation de nos
instruments aient été identifiées et archivées, et préparer activement la phase d’exploitation
scientifique ;
le spectromètre multi-objet MUSE entré en service cette année sur l’un des VLT sera au
cœur de notre stratégie scientifique pour élucider les mécanismes de formation et
d’assemblage des galaxies. Notre contribution à la construction et à la maintenance de la
base des données d’observation du « temps garanti » au consortium sera au cœur de notre
stratégie pour apporter un support à l’instrument MUSE, support facilement valorisable en
terme d’exploitation scientifique à l’IRAP. Même si ce support n’est pas encore labellisé, il
sera réalisé en lien avec l’équipe OV-GSO de l’IRAP pour des raisons méthodologiques
évidentes. L’extension de ce support aux données de la phase de vérification scientifique
(acquis), et à tous les programmes d’observation (en cours de discussion) légitimera une
demande de labellisation nationale ;
le satellite TARANIS (lancement en 2016) pour l’étude des phénomènes transitoires de
haute énergie dans l’environnement terrestre proche et la mission SOLAR ORBITER
(lancement en 2017/2018) pour l’étude du vent solaire. Ces deux instruments apporteront
des mesures totalement inédites en ce qui concerne les interactions Soleil-Terre. Avec le
développement au niveau européen des services dit de « météorologie de l’espace », l’IRAP
qui possède des expertises uniques en son sein (CDPP) et qui vient de faire labelliser le
service d’observation STORMS, a vocation à prendre une place de premier choix dans la
compréhension de ces processus et la construction d’un modèle global de climatologie
spatiale. C’est la raison pour laquelle nous mettrons en place une action pluridiscipinaire
« Météorologie et climatologie de l’espace » ;
l’expérience PILOT, dont le programme d’observation implique trois vols stratosphériques
en 2015, 2017 et 2019. La connaissance fine de l’émission polarisée des poussières
interstellaires et de leur alignement avec le champ magnétique galactique pose largement
question, et elle vient d’être réactualisée par la possible détection des modes B polarisés du
fond diffus cosmologique. Nos équipes, qui sont aussi largement impliquées dans
l’exploitation des données polarisées de la mission Planck, devraient y apporter des
réponses décisives ;
dans le domaine de la Terre interne, l’IRAP est l’un des acteurs majeurs du TGIR RESIF,
en charge de son déploiement et de son fonctionnement pour tout le sud-ouest de la France.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
99
Section des unités de recherche
L’exploitation scientifique des mesures de sismologie sera donc une priorité pour nos
équipes de géophysique interne, avec une orientation déjà prise pour exploiter le bruit de
fond sismique comme source pour analyser la structure interne du globe terrestre et qu’il
faudra approfondir. Par ailleurs, notre groupe de géophysique aura vocation à étendre son
expertise dans le domaine de la dynamique interne terrestre vers l’étude et l’analyse de la
diversité des intérieurs des exoplanètes.
Les positions de leadership que nous avons prises sur quelques projets instrumentaux dont
le financement est maintenant acquis assureront aux équipes techniques un plan de charge en
cohérence avec le développement d’axes scientifiques stratégiques :
-
-
-
-
-
SPIRou dont nous fabriquons le module de polarimétrie et qui sera entièrement intégré,
testé et étalonné dans l’une des nouvelles salles blanches du bâtiment P2IS, devra être
installé sur le télescope du CFHT en 2017/2018. Sur le plan technique SPIRou est l’héritier
des spectropolarimètres NARVAL et ESPaDOnS. Mais sur le plan scientifique ses objectifs
sont tournés très largement vers la découverte et l’étude des exoplanètes en « zone
habitable » autour des étoiles de type M. La thématique des exoplanètes étant pour l’instant
peu développée à l’IRAP, l’engagement dans SPIRou se fera clairement avec un
déploiement thématique fort dans cette direction dès les prochaines années (2015 – 2017).
C’est l’objet de la nouvelle action pluridisciplinaire « Formation et évolution des systèmes
planétaires » qui sera mise en place dès 2015.
La construction de SuperCam pour la mission NASA Mars 2020 exploitera les acquis de
ChemCam, impliquant une équipe projet intégrée principalement localisée à Toulouse
(IRAP, UMS-OMP, LAB, LESIA, LATMOS). Les objectifs scientifiques de cette mission
couvrent pour partie ceux de la mission EXOMARS 2018 de l’ESA sur laquelle nous
sommes aussi engagés, mais dont on connaît les risques programmatiques. Il s’agit de
préparer un retour d’échantillon futur, et pour ce qui concerne l’instrumentation de l’IRAP
qui embarque un spectromètre RAMAN, de rechercher les traces moléculaires de formes de
vie ayant pu se développer à la surface de la planète Mars pendant son premier milliard
d’années.
Nos contributions à la mission franco-chinoise SVOM dont le lancement est maintenant
prévu à partir de 2021 (la caméra gamma ECLAIR dont nous sommes PI, et le photomètre
infrarouge CAGIRE pour le télescope de suivi sol) constitueront sans aucun doute la plus
importante implication technique de l’IRAP sur la prochaine période quinquennale (à noter
qu’il s’agit aussi de la plus grosse ligne budgétaire dans le Plan à Moyen Terme du
programme scientifique du CNES 2015 - 2020). Même si nos équipes ont été pionnières en
matière d’étude des sursauts gamma, les enjeux scientifiques de SVOM touchent à l’une des
grandes questions non résolues de l’astrophysique (les premiers objets) et nous devons
employer la période de construction de la mission (les cinq prochaines années) pour
acquérir des compétences à l’IRAP en ce qui concerne la modélisation des premiers objets,
de leurs modes d’explosion et de l’interaction qui en résulte avec leur environnement
proche. En pratique cela peut se faire au moyen d’un recrutement chercheur – enseignant
chercheur, ou par la mutation d’un chercheur déjà confirmé sur le sujet.
Un autre grand chantier de l’IRAP sur les cinq prochaines années concerne le renforcement
de l'activité d'astrophysique de laboratoire autour de l’ERC NANOCOSMOS (2014 –
2020) : caractérisation des processus d’absorption et d’émission des analogues de grains et
nano-objets inter- ou circum-stellaires pour comparaison directe avec les observations
astrophysiques sur la plateforme nanograins du site Roche de l’IRAP ; caractérisation des
réactivités et des processus de croissance moléculaire sur le site du LCAR grâce à la
formation d'une équipe intégrée IRAP-LCAR sur le campus de l'UPS.
La préparation de l’observatoire spatial ATHENA (lancement en 2028), et de son
instrument X-IFU, sera aussi l’un des grands enjeux de l’IRAP. Sur le plan technique, nous
nous appuyons sur l’expertise acquise avec le SRON (Hollande) en matière de lecture
multiplexée des matrice de bolomètres supraconducteurs dans le cadre de la préparation de
la mission SPICA (instrument SAFARI), pour développer un système de pilotage et de
lecture des matrices de bolomètres X. Les quatre prochaines années (2015 – 2018) seront
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
100
Section des unités de recherche
-
consacrées à la réalisation d’un modèle de démonstration complet ce qui équivaut à une
action de R&D de grande ampleur dont la succès contribuera à la fourniture d’un plan focal
de fabrication européenne pour l’instrument X-IFU, et la confirmation de la mission
ATHENA en 2019. Sur le plan scientifique, une fois en opération ATHENA intéressera
pratiquement tous les groupes thématiques de l’IRAP. C’est la raison pour laquelle nous
allons dès l’an prochain mettre en place une nouvelle action pluridisciplinaire pour
identifier et renforcer les synergies possibles et bâtir en interne à l’IRAP une équipe projet
forte qui sera capable de piloter un bon nombre des programmes scientifiques de
l’observatoire.
CTA : la construction de ce grand observatoire sol des hautes énergies est pratiquement
acquise. En tant qu’institut leader en France, l’IRAP a vocation à être l’un des grands
contributeurs. Cela pourra se faire au niveau d’une contribution à la construction des
caméras de photomultiplicateurs (projet NectarCam), ainsi qu’au niveau du développement
des logiciels d’analyse scientifique (projet CTA science tools); En ce qui concerne
NectarCam, nous serons responsables du prototypage des modules de photomultiplicateurs,
ainsi que de la définition des procédures d’intégration et de tests (l’ensemble de la
production, de l’assemblage et des tests des 26 880 pixels devant de fait de part son volume
faire l’objet d’un contrat industriel). En ce qui concerne les développements logiciels, nous
assurerons la mise en place et le fonctionnement de la plateforme informatique sur laquelle
les nombreux scientifiques du consortium (plus d’une centaine) assurent leur
développements sous une forme collaborative. Ceci sera fait en lien avec l’équipe OV-GSO
de l’IRAP.
Ces contributions techniques lourdes associées à des orientations thématiques en cohérence, ne
doivent pas empêcher le soutien à des thématiques scientifiques qui ne sont pas fortement reliées à
nos contributions instrumentales et à des contributions techniques d’opportunité :
-
-
-
-
-
C’est le cas des développements théoriques supportés par le calcul numérique lourd
pour modéliser le fonctionnement interne des étoiles. Soutenus par l’INSU, nous venons
d’embaucher en CDD pour trois ans un ingénieur de recherche qui interviendra à plein
temps pour supporter le développement de ces codes. L’objectif est de pérenniser ce poste,
il fera donc parti des quelques postes IT/BIATSS extrêmement prioritaires que nous
demandons aux tutelles d’ouvrir durant la prochaine période quinquennal ;
Malgré la non-sélection de notre proposition de suite instrumentale pour la mission JUICE
de l’ESA (CEPAGE), nous contribuerons scientifiquement aux suites instrumentale RPWI
(mesures de type « ondes ») et avec fourniture hardware à PEP (particules) sur des aspects
pour lesquels notre expertise est reconnue et valorisée. Le calendrier très long de cette
mission, lancement au plus tôt en 2022, arrivée vers Jupiter au début de la décennie 2030,
permet à de jeunes chercheurs de l'IRAP d'assurer des responsabilités importantes au cours
de l'ensemble des phases d'une mission spatiale depuis sa définition jusqu'à son exploitation
scientifique;
Il est trop tôt pour afficher des priorités sur les possibles contributions de l’IRAP à la future
mission M4 de l’ESA (lancement en 2026). Compte tenu de nos engagements lourds sur la
période 2015-2020, on peut envisager une contribution concernant des système ou sous
systèmes parvenus à maturité technologique (« Technology Readiness Level » de niveau 5
ou 6) et qui ne nécessiteraient pas de développements majeurs à l’IRAP au cours les cinq
prochaines années ;
Des opportunités se présentent aussi sur l’instrumentation de 2nd génération de l’ELT (ESO).
Compte tenu de nos intérêts scientifique et de notre expertise technique dans le domaine du
contrôle/commande des instruments ESO, notre priorité sera de nous impliquer dans la
préparation du spectromètre multi-objets MOSAIC ;
Dans le domaine de l’origine et l’évolution des corps solides du système solaire, un effort
soutenu sera consacré au projet ANR PALLAS (Planetesimal and Asteroidal earLy
evoLution in the solAr System) qui vient d’être sélectionné. Ce projet multi-disciplinaire
réalisé en collaboration le GET (Toulouse) et le LGL-TPE (Lyon) s’attaque à la question
centrale de la différenciation silicates / métaux dans les planétésimaux du système solaire en
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
101
Section des unités de recherche
formation en combinant les données géochimiques et isotopiques de météorites
partiellement différentiées avec la modélisation physique, l’expérimentation au laboratoire
(pétrologie, minéralogie) et les calculs ab-initio.
Un certain nombre de nouvelles actions pluridisciplinaires ont déjà été mentionnées. Leur
objectif est de développer des animations scientifiques transverses afin de faire émerger de nouvelles
thématiques de recherche à l’IRAP, ou simplement de profiter de synergies entre équipes, entre projets
ou entre groupes. Suite à l’appel d’offre lancé début 2014 et à la journée de bilan-prospective
concernant nos actions pluridisciplinaires tenue le 16 mai 2014, nous avons décidé de reconduire pour
la période 2015 – 2020 deux des actions pluridisciplinaires existantes :
-
ASPHON : AStrophysique et PHysique fONdamentale (resp. A. Blanchard)
Plasmas Astrophysiques (resp. E. Jourdain et P.L. Blelly)
Quatre autres nouvelles actions pluridisciplinaires vont être initiées dès le 1er janvier 2015 :
-
Formation et évolution des systèmes planétaires (resp. C. Baruteau, O. Berné, G.
Quitté)
Météorologie et climatologie de l’espace (resp. A. Rouillard)
Imagerie hyperspectrale/Spectro 3D (resp. H. Carfantan)
La mission Athena et son X-ray Integral Field Unit (resp. O. Godet)
L’ensemble des bilans et projets de ces actions pluridisciplinaires sont disponibles dans
l’annexe G : ANNEXE_G_Actions_Pluridiscipinaires.pdf
L’IRAP devra par ailleurs préserver des ressources pour mener les actions de R&D qui
préparent nos contributions aux instruments du futur. Un état des lieux des R&D a été réalisé par notre
CST le 15 avril 2014 lors d’une journée dédiée : ANNEXE_F_CST_R&D_15avril2014.pdf Il
montre que malgré l’engagement de nos équipes dans des productions instrumentales lourdes, et
malgré la priorité qui doit parfois être donnée à ces engagements par rapport au travail prospectif
préparatoire pour le long terme (les R&D), l’IRAP maintient un niveau d’activité de R&D très
significatif. Nos R&D concernent en premier lieu des systèmes de détection et de mesure des
particules ou des photons :
-
Instrument PASTEL pour la mesure in-situ d’ions négatifs,
Spectromètrie de masse pour les ions de basse énergie,
Utilisation de micropores optiques pour la détection des ions et des neutres,
Photomultiplicateur sur silicium (SiPM) pour la détection des gerbes atmosphériques HE,
PheniX/Volga : détecteur 3D numérique pour les photons « X durs »,
Lentille de Fresnel pour l’astronomie spatiale UV,
Spectropolarimètre UV spatial, UVMag,
D’autres actions de R&D ne figurent pas à cet état des lieux car elles sont menées dans le cadre
de la préparation du programme Cosmic Vision de l’ESA, mais elles ne sont pas par nature différentes
des précédentes :
-
4.1.2
LOFT : réalisation d’un circuit intégré analogique/numérique destiné au « timing » des
photons X pour cet observatoire spatial de très grande surface collectrice,
SPICA/SAFARI, ATHENA/X-IFU : contrôle et lecture multiplexée en fréquence de
matrices de bolomètres supra-conducteurs,
Moyens
En l’absence de perspectives de croissance des moyens alloués à la recherche fondamentale, et
compte tenu de la démographie de nos personnels IT et BIATSS permanents pour lesquels un flux
modéré mais régulier de départs à la retraite est attendu dans les prochaines années, nous montrons en
Figure 17 ci dessous la projection de l’affectation de nos ressource humaines techniques dans le
domaine de l’instrumentation (sol et espace). Nous avons choisi cette illustration car l’instrumentation
constitue le coeur de nos activités techniques (33 etp IT/BIATSS en 2014), dirigeant de fait aussi
l’orientation de nos activités futures dans le domaine du traitement et de la mise à disposition des
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
102
Section des unités de recherche
Figure 17 : projection des ressources humaines IT et BIATSS de l’IRAP (personnels permanents uniquement) affectées sur
les projets instrumentaux en cours et à venir jusqu’en 2020. Seuls les « grand projets » de l’IRAP sont individualisés.
L’ensemble des autres contributions sont globalisées dans la partie supérieure du diagramme. La limite haute indique les
R.H. disponibles en l’absence de recrutements.
données (10 etp IT/BIATSS en 2014). Notre stratégie pour réaliser ce plan de charge ambitieux dans
un contexte de moyens humains contraints par la crise économique sera la suivante :
-
-
-
Continuer de donner une priorité très claire aux grands projets dont nous sommes leaders,
seuls projets qui peuvent convaincre nos tutelles d’ouvrir quelques postes permanents à
l’IRAP ;
Dans le cadre des projets instrumentaux, augmenter notre capacité à réaliser des soussystèmes ou même certaines tâches en sous-traitance industrielle, pour réserver nos
ressources humaines à nos cœurs de métier : préparation des projets, R&D, réalisations de
prototypes, intégrations, tests et étalonnages des instruments, exploitation scientifique et
mise à disposition des données dans le cadre des services d’observations labellisés. Cette
démarche implique de savoir mieux transférer nos savoir-faire au secteur industriel, par
exemple en progressant dans notre mission de « formation pas la recherche » et en plaçant
mieux nos docteurs dans les entreprises. Par ailleurs, à l’instar du marché INSU qui a été
mis en place pour supporter nos projets spatiaux en PA/QA (suivi qualité et assurance
produit), le CNRS étudie la possibilité de passer quelques marchés d’assistance sur des
métiers techniques du spatial : mécanique, électronique, etc.
Diminuer le risque de perte de compétences inhérent au grand nombre de personnels en
CDD sur nos projets instrumentaux en ouvrant quelques postes en CDI financés sur
ressources propres. L’UPS est prête à nous offrir cette possibilité dès qu’une convention
adéquate aura été agréée avec notre principal organisme contractant, le CNES ;
Par ailleurs, sur le plan immobilier, nous sommes toujours convaincus de la très forte valeur
ajoutée que constituera le rassemblement de tous nos personnels dans un seul groupe de bâtiments
connexes sur le campus de l’UPS-OMP. Sur le plan pratique cela peut se faire par exemple par une
rénovation et extension du bâtiment Roche dont le coût a été évalué à 8,1 M€, c’est à dire moins de la
moitié de notre masse salariale annuelle. Le CPER en cours de négociation (2015 – 2020) ne nous a
pas permis d’obtenir une issue positive pour cette demande : contraintes très sévères en terme de
volume financier et quasi interdiction de construire de nouvelles surfaces dans le secteur enseignement
recherche. A ce jour, la demande d’infrastructure pour l’IRAP encore inscrite dans la négociation pour
le prochain CPER se limite à 2 M€ pour des travaux de « transition énergétique et d’accessibilité » du
bâtiment Roche. La recherche de financements pour réaliser complètement notre projet immobilier
IRAP sera l’une des actions fortes que nous mènerons sur la période 2015 – 2020.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
103
Section des unités de recherche
4.1.3
Organisation
En ce qui concerne notre organisation et nos modes de fonctionnement, le séminaire de
discussion 6 entre tous les personnels organisé au printemps 2014 a permis de dégager des axes
d’amélioration et de progression. Ceux ci portent sur :
•
•
•
•
L’animation scientifique,
IT/BIATSS : lien avec les chercheurs et enseignants-chercheurs, implication dans le
pilotage de l’IRAP, plan de charge (situations de surcharge de travail),
Le rôle des instances de l’IRAP (clarifier le rôle de chacune, accroitre le rôle du Conseil
de Laboratoire),
L’explicitation des choix et des priorités, la communication interne,
Ce sera le rôle de la prochaine direction de l’IRAP de proposer des modalités précises pour
progresser sur ces questions. Cette nouvelle direction sera choisie au cours du printemps 2015 pour
une prise de fonction au 1er janvier 2016. Mais d’ores et déjà, le constat ainsi réalisé a motivé tous les
personnels de l’IRAP pour progresser concrètement sur ces axes sans attendre le 1er janvier 2016 :
- Animation scientifique :
Séminaire hebdomadaire IRAP : L’équipe en charge a lancé une enquête pour identifier les
causes de sa désaffection chronique, et elle va essayer de mettre en place de nouvelles modalités
pratiques pour en augmenter la fréquentation de façon significative, afin que ce moment devienne un
rendez vous habituel des personnels de l’IRAP.
Colloque scientifique international IRAP : sur un rythme au minimum biennal, l’IRAP doit
pouvoir se doter d’un colloque scientifique de stature internationale dont le sujet et l’équipe
organisatrice seront sélectionnés sur appel d’offre interne à l’IRAP.
Journées scientifiques IRAP : les journées scientifiques de l’IRAP se sont tenues de façon
biennale. Il faut les pérenniser et en faire un grand moment de communication scientifique interne.
Actions pluridisciplinaires : un suivi régulier du fonctionnement de ces actions sera réalisé
(bilan annuel devant le CST), et des moyens spécifiques pourraient être attribués (support financier,
sujet de thèse fléché, etc.).
- IT/BIATSS :
Les responsables des groupes métiers peuvent participer de façon régulière aux réunions du
Comité de Direction, par exemple lorsque l’on discute des classements pour promotions au choix, des
demandes de moyens aux tutelles, etc. Le Comité des Projets et Services (CPS) peut quand à lui se
réunir en session commune avec le Conseil Scientifique et Technique (CST) lorsque les possibilités
d’engagement des nouveaux projets sont examinées. Ces nouvelles modalités qui accroissent le rôle
des IT/BIATSS dans le pilotage de l’IRAP, ainsi que leur lien avec les chercheurs, sont effectives
depuis la fin du printemps 2014.
Le plan de charge des IT et BIATSS peut être significativement sécurisé au moyen de réunions
plus régulières entre le CPS et les responsables des projets. Par ailleurs, pour le suivi pratique du plan
de charge de chaque IT ou BIATSS une base de données plus performante que celle utilisée par la
direction actuelle doit être mise en place, et elle doit être tenue à jour de façon régulière par la
direction technique, en lien avec les responsables des groupes métiers.
- Clarification des processus de décision, communication interne:
Dans ce domaine, compte tenu de la taille de l’IRAP (presque 300 personnes), la mise en oeuvre
d’un véritable plan de communication interne est indispensable. Cela nécessitera toutefois un support
le programme, les restitutions des groupes de discussion ainsi que la restitution générale du séminaire
IRAP des 31 mars et 1er avril 2014 sont disponibles dans l’annexe jointe :
ANNEXE_H_SeminaireIRAP_31mars1eravril2014.pdf
6
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
104
Section des unités de recherche
non négligeable qui est aujourd’hui inexistant, la chargé de communication de l’IRAP partie à la
retraite en 2013 n’ayant pas été remplacée (poste CNRS).
En ce qui concerne le souhait de renforcer le rôle du conseil de laboratoire, il existe de
nombreuses possibilités pour lui transférer l’élaboration de certaines décisions stratégiques qui sont
actuellement du ressort du comité de direction, comme cela se fait déjà dans d’autres unités de
recherche de notre discipline (politique des modulations de primes attribuées au IT/BIATSS,
propositions pour les promotions « au choix », etc.). Cela nécessitera une réelle progression dans la
culture du laboratoire et dans notre capacité à discuter collectivement de questions sensibles.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
105
Section des unités de recherche
4.2 PSE : Physique du Soleil et des Etoiles
(groupe inchangé)
Le prochain quinquennal verra s’affirmer la contribution de premier plan de PSE aux grandes
questions actuelles de la physique solaire et stellaire (formation et évolution stellaire; atmosphères
stellaires; magnétisme et courants de surface du Soleil), avec une forte montée en puissance dans le
domaine de la recherche d’exoplanètes, de la formation des exoplanètes et de l’interaction étoileplanète. Le poids croissant de la composante exoplanétaire, aujourd’hui intimement liée à la physique
stellaire, justifie une réflexion sur un changement de l’intitulé de notre groupe afin d’acter cette
évolution naturelle et de la rendre plus visible.
Les futures activités de PSE s’articulent autour de projets à forte visibilité, menés dans la
continuité des principales expertises méthodologiques de l’équipe (spectropolarimétrie stellaire,
sismologie, modélisation et simulation numérique). Au cours du prochain quinquennal, nous
accompagnerons ainsi la montée en puissance des principaux projets aujourd’hui en phase de
développement. Citons en particulier :
•
•
•
L’intégration et l’exploitation scientifique de SPIRou.
Le développement et l’exploitation du code ESTER et la poursuite de nos travaux sur la
modélisation des pulsations d’étoiles en rotation rapide.
La participation à la préparation de PLATO sur les volets scientifique (science preparation
management) et technique (data center).
En parallèle, le groupe poursuivra ses efforts auprès des agences pour défendre le financement
de projets émergents (Neo-NARVAL 2016+, SPIP 2019+, SPIRou-NTT 2019+, EST 2020+, UVMag
2026+). Les nouveaux projets cohabiteront avec la poursuite de l’exploitation scientifique des codes et
instruments déjà disponibles et la poursuite des actions de valorisation des résultats obtenus.
4.2.1
Astérosismologie et modèle stellaires de nouvelle génération
Le contexte actuel est très favorable au développement de modèles d’étoile de nouvelle
génération grâce aux rapides progrès en astrométrie, interférométrie, spectropolarimétrie, et tout
particulièrement grâce à l'avénement de la sismologie stellaire qui connaît depuis quelques années un
véritable âge d'or avec les missions spatiales CoRoT, Kepler, BRITE et les projets TESS et PLATO. La
complémentarité et l’originalité des différentes expertises présentes au sein de l'équipe PSE nous
mettent en très bonne position pour tirer partie de ce contexte.
Le projet ESTER sur la modélisation 2D des étoiles sera développé afin de garder le leadership
mondial de l'équipe PSE dans ce domaine. Les modèles ESTER étant actuellement stationnaires, l'étape
suivante sera la prise en compte de l'évolution temporelle (1 thèse en cours). Le code sera aussi adapté
aux étoiles de plus faible masse qui possèdent une enveloppe convective externe. Nous poursuivrons
dans le même temps l’étude de mécanismes de transport spécifiques qui sont des ingrédients essentiels
des modèles d’évolution 2D ou 1D : la convection thermohaline aussi bien dans les enveloppes des
naines blanches que dans l'intérieur des étoiles de masse intermédiaire (1 thèse en cours), la diffusion
radiative, par l’inclusion de nouveaux éléments chimiques (e.g. le Sc) dans les codes TGEC et
PHOENIX et par la confrontation avec les abondances observées dans les étoiles chimiquement
particulières Am, ou le transport turbulent des éléments chimiques dans une zone radiative en
rotation différentielle étudié au moyen de simulations numériques 3D locales. Enfin, la sismologie des
géantes rouges a montré la nécessité d'un mécanisme efficace de transport de moment cinétique dans
la zone radiative de ces étoiles dont ne rendent pas compte les modèles actuels. Grâce au code sphérique
MAGIC (collaboration MPA), nous sommes aujourd’hui en mesure de réaliser une exploration
numérique pionnière de l’effet d’un champ magnétique sur ce transport. L'efficacité du transport de
moment par les ondes de gravité internes sera aussi étudiée (en collaboration avec le LESIA).
Dans le domaine de l’astérosismologie, l'équipe PSE est appelée à jouer un rôle important à la
fois dans la préparation des missions futures (elle est impliquée à la fois dans le PDC et dans le PSPM
de la mission PLATO), dans l'analyse de données et dans la modélisation sismique.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
106
Section des unités de recherche
Etoiles pré-Séquence Principale - Nous poursuivrons notre effort de caractérisation systématique
de la bande d'instabilité des étoiles de Herbig (étoiles pré-séquence principale de masse intermédiaire)
à partir de données spectroscopiques à haute résolution spectro-temporelle.
Etoiles de Séquence Principale - La taille des zones convectives reste incertaine (e.g. phénomène
d'overshooting), ce qui contribue à rendre incertains les âges stellaires. En exploitant les données
sismiques de CoRoT et Kepler, nous mesurerons l'extension des coeurs et des enveloppes convectives
de pulsateurs de type solaire afin de mieux contraindre le phénomène d'overshooting. D'autre part,
nous tirerons profit de l’expérience acquise par l’analyse des étoiles gamma Doradus (étoiles A-F
variables) de Corot et des progrès que nous avons réalisés dans la modélisation des effets de la rotation
(TOP, ESTER) pour exploiter les données sismiques des étoiles massives et de masse intermédiaire (1
thèse en cours).
Géantes Rouges et Branche Horizontale - Nous poursuivrons nos efforts pour apporter des
contraintes fortes sur le transport de moment cinétique à partir de la sismologie des géantes rouges.
Pour cela, nous exploiterons les modes mixtes (qui sondent à la fois le coeur et l'enveloppe de ces
étoiles) afin de sonder le profil de rotation interne à des stades évolutifs spécifiques (jeunes sousgéantes, géantes brûlant de l'He au coeur).
Pulsateurs compacts - Un important travail de mise à niveau de nos modèles d'étoiles sdB et
l’analyse des données Kepler nous permettra d'aborder différents points : estimation de la masse critique
du déclenchement du flash de l'hélium, mesure du profil de rotation interne, étude de la semi-convection
à la surface des coeurs d'hélium. Nous poursuivrons également le programme d'observation multi-site de
naines blanches variables avec le réseau WET (Whole Earth Telescope) dans le but de sonder leur
intérieur et d’étudier les effets couplage non-linéaires entre les modes d’oscillation (1 thèse en cours).
4.2.2
Magnétisme Solaire et Stellaire
L'équipe PSE présente une grande diversité et complémentarité de compétences dans le domaine
du magnétisme stellaire et solaire, qui sont des thèmes scientifiques forts de l’IRAP. Poussée par une
activité observationnelle florissante, par le développement de projets spectropolarimétriques à la pointe
de la recherche internationale, et par l'arrivée de plusieurs chercheurs et d'un IR calcul scientifique, cette
thématique va se développer considérablement au cours des prochaines années, que ce soit en
instrumentation, observation, modélisation numérique ou théorie. Les objectifs scientifiques de notre
équipe dans ce domaine sont nombreux et très alléchants : compréhension de la génération et de la
dynamique du champ magnétique à la surface et à l'intérieur d'étoiles de différentes classes, de l'impact
de ce champ sur la formation stellaire, des relations entre magnétisme stellaire et exoplanètes, etc.
Magnétisme stellaire - Avec l’arrivée de SPIRou au CFHT (instrument décrit dans la partie bilan)
en 2017, nous allons amplifier les recherches sur le magnétisme des naines M et des protoétoiles.
SPIRou observera de 360 à 600 étoiles M qui seront aussi suivies en vélocimétrie à la recherche
d’exoTerres (SPIRou Legacy Survey, 500+ nuits). Ce travail ouvrira une nouvelle fenêtre sur la
dynamo dans ces étoiles et devraient également permettre de filtrer les courbes de vitesse radiale
(trahissant la présence de planètes) du signal parasite lié à l'activité magnétique des étoiles (1 thèse).
SPIRou permettra aussi d’explorer le magnétisme de centaines de protoétoiles pour déterminer son
impact sur la formation stellaire et planétaire et tenter de valider l’existence de Jupiter chauds à ces
phases précoces de l’évolution, amplifiant largement les grands programmes d'observation MaPP et
MaTYSSE menés avec ESPaDOnS/NARVAL au CFHT/TBL (1 chaire IDEX, 2 postdocs, 1 thèse).
Pour comprendre l'origine de la dichotomie magnétique des étoiles massives et de masseintermédiaire, nous exploiterons les grands programmes d'observation en cours avec Narval qui
devront déterminer les propriétés du magnétisme de type Véga et établir comment le champ minimum
des étoiles à forts champs magnétiques, les Ap/Bp et les massives magnétiques, dépend des paramètres
stellaires (1 thèse, 1 postdoc, 1 ANR). Plusieurs autres projets spectropolarimétriques ambitieux seront
poursuivis, notamment la caractérisation temporelle du magnétisme des analogues solaires à
l'échelle d'une décennie (Narval, projet Bcool, 1 ANR), celle de l'activité des étoiles Ae/Be de Herbig
(notamment en interaction binaire) et celle du magnétisme d'étoiles froides evoluées (géantes, Miras,
RV Tauri). En relation avec les projets observationnels précités, nous allons amplifier nos efforts en
modélisation numérique MHD pour la physique stellaire pour comprendre l'impact potentiel
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
107
Section des unités de recherche
d'instabilités MHD dans les zones radiatives en rotation différentielle (étoiles A), l'effet dynamo par la
convection thermique (étoiles M, étoiles de type solaire, géantes), identifier de possibles processus de
transport de moment cinétique MHD (géantes rouges), ceci par l'intermédiaire de simulations 3D locales
et globales (1 CDD IR calcul scientifique en appui). Une réflexion préliminaire a également été engagée
pour développer une activité de modélisation en relation avec les thématiques SPIRou autour de la
formation stellaire et de la magnéto-accrétion.
Magnétisme du Soleil - Soleil calme. Grâce aux observations sol (Themis) et satellite (Hinode,
SDO) et à nos expertises variées et complémentaires autour de la dynamique photosphérique, nous
avons pour ambition de pouvoir proposer de nouveaux éclairages observationnels et théoriques sur les
mécanismes de génération, d'évolution temporelle, de diffusion et de déstabilisation du champ
magnétique à la surface du Soleil calme. Magnétisme global, relations Soleil-Terre. Plusieurs d'entre
nous vont participer à des projets visant à comprendre la formation des régions actives, l'origine des
cycles dynamo dans les étoiles de type solaire, mais aussi les relations entre la dynamique
magnétique à la surface solaire, dans la couronne et jusqu'à la Terre (collaboration avec le groupe
GPPS, 1 postdoc). Ces projets mêleront observations, assimilation de données et modélisation
numérique.
Base de données, autres secteurs de prospective - Plusieurs membres de PSE vont travailler à
l'exploitation scientifique de la base de données spectropolarimétrique Narval/ESPaDOnS
polarbase (Petit et al. 2014) dans le cadre de l'OVGSO (http://polarbase.irap.omp.eu - voir aussi
la fiche SO PolarBase de l'annexe 9). L'équipe va aussi accompagner le développement de la
mission spatiale Athena+ afin d'étudier le magnétisme de divers systèmes astrophysiques
(collaboration avec l'équipe GAHEC)
Instrumentation R&D - Les projets de spectropolarimètre stellaire ont été décrits dans la partie
bilan. Nous développerons aussi des polarimètres pour la physique solaire : à THEMIS dans la
perspective de l'European Solar Telescope, et au coronographe du Pic du Midi pour la mesure du champ
magnetique coronal. Un projet de mesure de la polarisation du continu, avec un potentiel scientifique
important en planetologie et physique stellaire, est également à l'étude. Tout comme, un
spectropolarimètre UV dans l’espace dans le cadre du projet M4 UVMAG (1 thèse).
4.2.3
Processus fondamentaux en dynamique des fluides astrophysiques et transfert
radiatif
Le groupe continuera ses recherches sur les questions amont de la dynamique des fluides et du
transfert radiatif. Concernant le transfert radiatif, on prévoit de se concentrer sur le problème du
transfert complètement hors-ETL. En effet, le transfert hors-ETL actuel suppose des distributions
maxwelliennes pour les particules; seuls les photons sont vraiment hors-ETL. On se propose donc
d'évaluer les effets hors-équilibre des populations et distributions des particules, effets actuellement
inconnus, sur le spectre des photons. En dynamique des fluides, le groupe examinera les questions de
transitions non-linéaires et sous-critiques des écoulements de disques d'accrétion en relation avec les
transitions de phase thermodynamiques (apparition de chaos spatio-temporel, théorie des orbites
périodiques, nucléation de la turbulence, etc.). Avec de nouvelles méthodes, on continuera aussi l'étude
de l'effet dynamo et notamment de son couplage avec les instabilités MHD (instabilités magnétorotationnelle, de Tayler et de flottaison magnétique) pour les applications en physique stellaire. Dans le
prolongement de cet axe nous prévoyons aussi d'analyser l'instabilité magnéto-rotationnelle et l'effet
dynamo dans le cas des plasmas non collisionnels (effets des instabilités parasites, miroir et firehose,
analyse asymptotique multi-échelle et modélisation numérique, cinétique et multidimensionnelle).
Toujours en physique stellaire, on continuera l’étude des propriétés asymptotiques des modes
d’oscillation des étoiles et des planètes (chaos d’ondes acoustiques et attracteurs des modes gravitoinertiels) et on réalisera des simulations numériques pionnières pour étudier l’évolution non-linéaire
des modes d’oscillation lorsqu’ils sont excités par effet de marée ou par kappa mécanisme. Enfin, nous
étudierons les conséquences hydrodynamiques (instabilité double diffusive) des processus de diffusion
atomique dans les étoiles.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
108
Section des unités de recherche
4.2.4
Exoplanètes
L'astrophysique des systèmes planétaires connaît une expansion fulgurante, soutenue par la
découverte de plus d’un millier d’exoplanètes depuis une vingtaine d'années. Les succès de HARPS,
CoRoT et KEPLER ont permis de détecter de nombreuses planètes proches de leur étoile, dont certaines
autour d’étoiles évoluées, et de montrer toute l’importance de la physique stellaire sur l’évolution des
systèmes (exo-)planétaires. L’arrivée prochaine de CHEOPS, TESS, SPIRou, et plus tard de PLATO,
caractérisera et étendra cette moisson de planètes proches de leur étoile. C’est dans ce contexte
observationnel riche que la thématique “exoplanètes”, qui est une thématique émergente du groupe PSE
et de l’IRAP, continuera à se développer, tant du point de vue des observations que de la modélisation.
SPIRou et ses copies, SPIP/SPIRou-NTT, seront optimisés pour la détection / caractérisation de
planètes telluriques habitables autour d’étoiles de très faible masse. Le SPIRou Legacy Survey, 500+
nuits sur 5 ans à partir de 2017, est déjà programmé à cet effet. Une forte participation de l’équipe PSE à
l’exploitation scientifique des programmes exoplanètes et interaction étoile-planète de SPIRou sera un
des enjeux de la prochaine période. Une autre thématique prometteuse pour l’équipe est l’étude des
phases avancées des systèmes planétaires, depuis la détection d’exoplanètes autour d’étoile évoluées
(étoiles SdB) par l’analyse des données Kepler jusqu’aux programmes de détection de planètes gazeuses
autour d’étoiles sous-géantes et géantes envisagés avec NeoNarval. Sur cette thématique, nous
comptons aussi modéliser l’évolution d’une planète à l’interieur de l’enveloppe de gaz d’une étoile
géante rouge et continuer l’étude des disques de débris de planètes autour des naines blanches.
Finalement, des programmes de suivi par SPIRou et NeoNarval des candidats planètes de TESS et
PLATO constituent un autre axe de développement pour l’équipe.
Des travaux de modélisation porteront sur l’évolution jeune des systèmes planétaires en formation
dans leur disque protoplanétaire. Nous déterminerons, par des simulations numériques, la direction et la
vitesse de migration planétaire par interactions disque-planètes dans des modèles réalistes de disques
protoplanétaires, incluant leur dynamique turbulente et leurs propriétés radiatives. Nous calculerons des
synthèses de population planétaire et confronterons ces résultats aux propriétés statistiques des
exoplanètes observées.
Nous étudierons l’évolution des planètes proches de leur étoile par interactions étoile-planète.
Nous examinerons comment l’activité magnétique d’une étoile jeune influence la structure de son
disque protoplanétaire proche, comment l’accrétion du disque s’effectue sur l’étoile, et l’évolution de
planètes ayant migré jusqu’à proximité de leur étoile. Nous poursuivrons l’étude des modes
d’oscillations stellaires à basse fréquence (modes gravito-inertiels) dans le but de mieux comprendre
l’efficacité des interactions de marée étoile-planète pour les nombreux Jupiters chauds détectés sur des
orbites excentriques et/ou inclinées.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
109
Section des unités de recherche
4.3 PEPS : Planètes, Environnements et Plasmas Spatiaux
(nouveau groupe issu du GPPS)
Contributeurs :
Chercheurs et enseignants-chercheurs: B. Lavraud (CR 17, responsable) –- P.L. Blelly (DR 17) - P. Pinet
(DR 18) – S. Chevrel (AA) - G Berger (DR 18) - S. Maurice (A) – C.L. d'Uston (DR 17) - O. Forni (DR 17) - O.
Gasnault (CR 17) – J. Lasue (AA) – P.Y. Meslin (MCF 34) - J.A. Sauvaude (DR 17) - P. Louarn (DR 17) - M.J.
Toplis (DR 18) – A. Toure (DR 17) - I. Dandouras (DR 17) - C. Mazelle (DR 17) - A. Rouillard (CR 17) - N.
André (CR 17) – J.P. Roques (DR 17) – E. Jourdain (CR 17) – M. Blanc (A) – C. Jacquey (A) – V. Genot (AA)
– D. Toublanc (PR 34) - C Peymirat (PR 34) – F. Forme (PR 34) – H. Rèmee (PR 34) – P. Garnier (MCF 34) –
G. Fruit (MCF 34) – A. Marchaudon (CR 17) – F. Pitout (AA). Rattachement secondaire : R. Belmont (MDC
34) – J. Malzac (CR 17) - G. Quitté (CR 18), S. Fabre (PRAG, chercheur associé)
Post-Doctorants S. Schroeder (2013-2014) – M. Burke (2013-2014) – N. Sartore (2013-2014) - N. Aunai
(2013-2014) – C. Tao (2013-2014).
Doctorants : H. Mizzon (2011-2014) – L. Million-Picaillon (2011-2014) – A. Kotova (2012-2015) – D. Sarria
(2012-2015) – E. Boué (2012-2015) – M. Grandin (2013-2016) – L. Shan (2013-2016) – W. Rapin (2013-2016)
– Y. Wang (2013-2016)
ITAs – BIATSS - CDD: M. Gangloff (IR) – M. Bouchemit (IE) – E. Penou (IR) – C. Feugeade (CDI IE CNRS)
– Y. Daydou (IR) – B. Houret (IE) – C. Aoustin (IR) – A. Fedorov (IR) – E. Le Comte (AI) – Q.M. Lee (AI) –
H.C. Seran (IR) – C. Amoros (IR) – G. Orttner (IR) – R. Mathon (IR) – P. Devoto (IR) – O. Chassela (IE) – G.
Roudil (IE) – N. Baby (IR) – E. Pallier (IE) – Y. Parot (IR) – Th. Camus (AI) – P. Ramon (IE) – O. Coeur-Joly
(IR) – G. Rouaix (IR) – N. Briat (AJT) – B. Bertrand (IE) – L. Bouchet (IR) – D. Roma (T) – C Gaiti (AJT) – L.
Jahan (IE) – A. Biegun (CDD) - G. Terrier (CDD) - G. Aine (CDD) - J. Rubiella (CDD) - J. Rudmann (CDD) K. Wong (CDD) - M. Bassas (CDD) - O. Ncho (CDD) - P. Rouger (CDD) - R. Baruah (CDD) - V. Kunkel
(CDD) - Y. Cao (CDD) -
4.3.1
Introduction
Notre prospective s’inscrit pour beaucoup dans le cadre de la programmatique spatiale avec,
pour les prochaines années, la réalisation/livraison d’instruments ou la réception des données dans le
cadre des missions MMS, MAVEN, Rosetta, Juno, TARANIS, Bepi-Colombo, Solar Orbiter, Solar
Probe Plus, ExoMars, MSL2020…et la continuation de Cluster, THEMIS, Mars Express, Venus
Express, Cassini, STEREO, ChemCam, projets pour lesquels nous avons eu des contributions
hardware ou software notables. Les moyens d’observations ‘sol’ de l’ionosphère EISCAT et SuperDARN seront également mis à contribution. L’activité sera donc fortement centrée sur l’exploitation et
l’interprétation des mesures de ces projets, avec un appui du CDPP et des services y afférents en ce
qui concerne la physique des plasmas. La modélisation numérique, le travail théorique et les
expériences au laboratoire seront poursuivis, comme appuis fondamentaux à l’exploitation scientifique
mais aussi pour travailler sur des sujets ‘indépendants’, relatifs à la caractérisation des surfaces
planétaires et à la mécanique des plasmas et des fluides (instabilités, non linéarité et chaos…).
Au-delà de ce qui relève de la dynamique propre des disciplines, des axes transverses
émergeront dans un futur proche. Ainsi, pour les comètes, Mercure et Mars, il sera opportun d’associer
l’analyse des environnements plasma avec celles des surfaces au sein de notre nouveau groupe dédié à
ces thématiques. Les connexions avec l’astrophysique devront aussi se développer. Cela concernera
l’application des processus ‘plasmas’ fondamentaux à l’astrophysique (rayonnements, accélération,
chocs etc.), les analyses comparatives Soleil/étoiles, les disques proto-planétaires et ce que l’on peut
en apprendre en observant les systèmes de Jupiter et Saturne. Nos expertises en relations Soleil/
planètes et en physico-chimie des exosphères et ionosphères devront aussi s’appliquer aux exoplanètes. Nous résumons ici les grandes orientations prévues pour la période 2016-2020.
4.3.2
Soleil et héliosphère
Cette thématique, en émergence depuis quelques années à l’IRAP, regroupe nos études des
processus solaires et héliosphériques, et de leur influence sur les propriétés et l’évolution du plasma
d’origine solaire. Nos activités à venir se focaliseront sur l’analyse des données de Solar Orbiter et
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
110
Section des unités de recherche
Solar Probe Plus, complétées par les mesures de Bepi-Colombo. Nous continuerons aussi à exploiter
des observations au sol (Climso, etc.) et satellitaires (Solar Dynamics Observatory, Hinode). De cette
façon, nous aborderons les relations Soleil-Terre mais aussi l’impact de l’activité solaire sur
l’ensemble des corps du système solaire (voir infra). En détail, les actions que nous poursuivrons
sont :
Couronne solaire : Les processus d’accélération du vent solaire et de reconfiguration
magnétique de la couronne au cours du cycle solaire, et, à plus petites échelles de temps, au cours des
éjections de masse coronales (CME : « Coronal Mass Ejection »), restent au centre des problématiques
de la communauté. Ces questions seront au cœur de nos efforts, compte tenu en particulier, des
missions spatiales à venir. Certains aspects seront étudiés en collaboration étroite avec le groupe PSE
de l’IRAP, aussi bien du point de vue de la modélisation que des observations.
Vent solaire et particules énergétiques : Le vent solaire, ayant des caractéristiques très
spécifiques (régime du plasma, stabilité et dimensions spatiales), est un laboratoire idéal pour l’étude
des processus plasma communs à l’astrophysique : reconnexion magnétique, chocs et turbulence. Le
groupe possède des atouts majeurs pour tirer parti des nombreuses données provenant des missions
spatiales passées et à venir. Outre les aspects fondamentaux, ces mécanismes ont un impact direct sur
l’évolution des structures du vent solaire, ainsi que sur la génération des populations de particules
énergétiques (SEP : « Solar Energetic Particles »). L’étude de ces dernières, et de leur impact dans
l’héliosphère, sera un axe fort de notre recherche.
Impact héliosphérique, planétaire et météorologie de l’espace : Les activités du groupe se
concentreront aussi sur la compréhension de la propagation des structures d’origine solaire, telles que
les CME, SEP et CIR (« Corotating Interaction Region »), et en particulier sur leur modélisation, afin
de mieux comprendre, et à terme prédire, les caractéristiques de ces structures à l’approche de tout
objet du système solaire. Ces études seront soutenues, entre autre, par de grands projets structurants
comme HELCATS (FP7)
Ouvertures nouvelles : La meilleure compréhension des processus fondamentaux d'accélération
de particules et de dissipation d'énergie, avec une quantification précise de leurs efficacités, permettra
de progresser dans les domaines de plus hautes énergies et dans des contextes 'violents'. De même, la
description 'système' des interactions Soleil-planètes (effets des CMEs, vents lents/vents rapides, effets
de la magnétisation, etc.) pourra sans doute se généraliser au contexte extrasolaire.
4.3.3
Couplages magnétosphère-ionosphère-atmosphère terrestre
L’essor des synergies entre instrumentations sol et spatiale a permis un décloisonnement du
domaine des relations Soleil-Terre, participant aussi au développement de la météorologie de l’espace.
Si la chaîne de processus contraignant la dynamique du système magnétosphère-ionosphèreatmosphère est plutôt bien comprise qualitativement, la modélisation quantitative des différents
couplages reste difficile et fait l’objet de recherches actives. Le groupe dispose de toutes les
compétences nécessaires pour mener à bien ces études multi-instruments et multi-échelles. D’une part,
nous assurons la responsabilité française des programmes de radars ionosphériques SuperDARN et
EISCAT et, par ailleurs, nous développons plusieurs modèles numériques de l’environnement terrestre
(e.g. TRANSCAR) que nous améliorons sans cesse.
Ainsi, nous utiliserons simultanément les données des missions spatiales (telle que Swarm),
d’EISCAT et de SuperDARN pour approfondir notre compréhension des couplages entre la
magnétosphère et l’ionosphère terrestre. En particulier, nous étudierons les processus
électrodynamiques et les asymétries interhémisphériques dans les régions clés d’entrée du plasma
solaire dans la magnétosphère pour comprendre comment ces couplages varient avec les conditions du
vent solaire et du champ magnétique interplanétaire.
Concernant la modélisation, nous allons tirer parti du modèle ionosphérique TRANSCAR interhémisphérique. Avec l’appui des données radar, cela va permettre d’étudier des problématiques telles
que l’effet des ondes ultra basse fréquence sur l’électrodynamique ionosphérique, les variations
diurnes et saisonnières sur les échanges inter-hémisphériques ou l’effet des éruptions solaires sur
l’ionosphère. Nous comptons aussi étendre nos modèles en leur intégrant un module d’électroVague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
111
Section des unités de recherche
dynamique équatoriale et en utilisant l’Ionosphere Magnetosphere Model (IMM) de l’IRAP pour
assimiler les données de SuperDARN et calculer des grandeurs telles que le champ électrique de
convection, les courants alignés et les flux de particules précipitantes. Nous mettrons aussi à profit nos
modèles ionosphériques pour développer une méthode innovante de reconstruction de l’ionosphère par
tomographie GPS, avec des aspects applicatifs pour le développement des réseaux GNSS, dont
GALILEO.
Un chapitre passionnant s’ouvre également avec toutes les découvertes concernant les
phénomènes lumineux transitoires, appelés TLEs (Transient Luminous Events), résultant du couplage
de l’atmosphère avec les régions ionisées lors d’épisodes orageux. Il a été montré qu’ils font aussi
intervenir des flashs γ et X, les TGFs (Terrestrial Gamma Flashes), ainsi que des accélérations
d’électrons très énergétiques. A l’IRAP, ces mécanismes ont commencé à être étudiés par des
simulations du transport des électrons relativistes et des rayons γ générés par les TGFs. Ces travaux
prendront de l’ampleur avec TARANIS, mission à fort potentiel de découvertes, pour laquelle nous
avons conçu et fabriqué l’instrument de détection des électrons énergétiques (IDEE) et participé à la
conception des détecteurs X et γ (XGRE).
4.3.4
Etudes multi-satellitaires de la magnétosphère terrestre
Avec l’avènement des missions multi-satellites, Cluster, THEMIS et bientôt MMS, la physique
des plasmas spatiaux vit une révolution. Rappelons que ces milieux sans collision sont caractérisés
par l’absence de processus simples de relaxation et de dissipation d’énergie et obéissent à une
dynamique profondément différente de celle des fluides classiques, suffisamment complexe pour que
la description mathématique de certains aspects en soit récompensée par la médaille Fields en 2010.
L’absence de collisions joue un rôle fondamental dans nombre de mécanismes, en particulier: les
échanges énergétiques (accélération des particules et chauffage du milieu), le transport de matière au
travers des frontières magnétiques, la génération d'ondes, la turbulence, l'organisation et la dynamique
à grande échelle des structures magnétiques. D’un point de vue observationnel, l’approche doit être
non locale (comparaison systématique de mesures faites en différents points) et ‘duale’ avec l’analyse
des couplages entre dimensions d’espace et de vitesses. De là réside l’intérêt des missions multisatellites explorant la magnétosphère terrestre. Leurs retours scientifiques sont généralisables à tous
les environnements ‘plasmas’ et, évidemment, l’équipe s’attache à conserver un lien très fort avec
l’étude des environnements planétaires, l’héliosphère et les applications astrophysiques.
Dans ces domaines, nous poursuivrons nos analyses initiées depuis plusieurs années avec
Cluster et THEMIS, sur des problèmes liés à la reconnexion magnétique, au chauffage et à
l’accélération des particules et à la physique des chocs. La dynamique de la magnétosphère interne
continuera à être étudiée, tout comme les processus permettant les couplages avec le vent solaire, avec
une connexion vers la météorologie de l’espace. Une attention particulière sera portée à l’étude
observationnelle et à la compréhension des ‘sous-orages’ magnétosphériques, qui sont des exemples
d’instabilités majeures des environnements magnétisés. Sur ces sujets, nous sommes en passe
d’aboutir sur des modèles théoriques novateurs des ruptures d’équilibre des structures magnétiques,
que nous comptons tester avec les données Cluster, THEMIS et, surtout, MMS qui possédera une
définition temporelle inégalée. Cela passera aussi par une utilisation intensive des outils d’analyse
développés par le CDPP. Un point important sera également de développer les simulations numériques,
ou de tisser les collaborations nécessaires dans ces domaines.
4.3.5
Fonctionnement des magnétosphères planétaires
L’équipe bénéficiera par ailleurs de moyens d’étude variés dans le domaine des environnements
plasma planétaires et cométaires. Les sujets de recherche de l’équipe peuvent être regroupés
thématiquement comme suit.
Echappement atmosphérique planétaire : La stabilité des atmosphères des planètes telluriques
est une question clé de la planétologie comparée, qui passe par la quantification de la perte de
composants atmosphériques sous l’action du vent solaire (processus de criblage, de production d’ions
« pick-up », …). Nos études dans ce domaine ont été menées avec MGS, Mars et Venus Express ;
elles prendront un nouvel essor avec MAVEN. L’interaction de structures transitoires du vent solaire
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
112
Section des unités de recherche
(par exemple, les CME) avec l’atmosphère martienne sera aussi étudiée dans le cadre de la
météorologie planétaire.
Interactions multi-phases dans les environnements planétaires : La mission Cassini a révélé une
magnétosphère complexe autour de Saturne dans laquelle des processus originaux résultant des
interactions multi-phases - surface, poussières, gaz neutre et plasma - opèrent et gouvernent la
dynamique du système. Par ailleurs, Titan, la plus grosse lune de Saturne, possède une atmosphère/
ionosphère dense qui est le siège d’une chimie complexe à l’origine de la création de molécules
lourdes de type pré-biotique. De tels processus physico-chimiques se produisent également dans les
environnements cométaires. Concernant ces processus résultants de couplages multi-phases, nous
concentrerons nos efforts autour de Rosetta, tout en poursuivant les travaux engagés sur Cassini.
Couplage vent solaire/magnétosphère/ionosphère aux planètes géantes : Autour de la Terre, de
Jupiter ou de Saturne, la réaction du système magnétosphère/ionosphère au forçage du vent solaire et
de la rotation planétaire est un élément central de la dynamique de ces systèmes complexes. Les
spécificités des planètes géantes (sources de plasma internes, présence d’un magnétodisque chaud et
de lunes, …) induisent des processus particuliers (effets saisonniers, asymétries nord-sud, aurores, …)
qui sont au centre de nos travaux depuis la mission Galileo. La prolongation de la mission Cassini
jusqu'en 2017 et l’arrivée en 2016 de la mission Juno à Jupiter permettront de donner une nouvelle
perspective à ces études. Une évolution intéressante attendue est relative à l’exploration à hautes
latitudes, avec un regain d’intérêt pour les processus ‘auroraux’ d’accélération et de rayonnement.
Ouvertures nouvelles : Les études comparées des divers magnétosphères et environnements
ionisés de notre Système Solaire offriront des perspectives astrophysiques avec leur extension
naturelle aux cas des systèmes exoplanétaires, notamment dans le cas des systèmes en rotation rapide,
qui offrent d’excellents contextes pour l’analyse des interactions binaires satellites/objet central.
4.3.6
Surfaces Planétaires
L’étude des surfaces planétaires se poursuivra à travers une association de participations à des
missions spatiales (en cours ou nouvelles) et de modélisations numériques ou expérimentales au
laboratoire. Les thématiques suivantes constitueront le socle de nos efforts :
Analyses in-situ à la surface de Mars : L’équipe planétaire de l’IRAP est impliquée dans les
missions martiennes actuelles et futures. Sa forte participation aux opérations de ChemCam sur
Curiosity garantit un accès aux données et aux travaux de cette équipe internationale dans les années à
venir. La reconnaissance des recherches effectuées et de l’intérêt du sondage submillimétrique, offert
par les développements technologiques de l’IRAP, a abouti à la sélection de cette équipe pour
construire l’instrument SuperCam qui décollera vers Mars en 2020. Ce nouveau concept (LaserInduced Breakdown Spectroscopy + Raman + spectrométrie infrarouge + imagerie couleur) combine
chimie et minéralogie pour une investigation plus complète, l’exploration in situ progressant ainsi vers
l’identification de bio-signatures potentielles et la préparation du retour d’échantillons. Dans l’optique
de l’arrivée de SuperCam sur Mars en 2021, un des enjeux pour les années à venir est donc de créer ou
d’accréter des compétences nécessaires pour caractériser les processus qui forment et qui modifient les
enregistrements géologiques, surtout sur des sites d’intérêt pour l’astrobiologie.
Spectrophotométrie et analyses orbitales : Les activités du groupe autour de la
spectrophotométrie et de la spectroscopie gamma se poursuivront, par exemple, dans le cadre de
l’exploitation des données des instruments CRISM, HRSC/OMEGA, et GRS (Mars Odyssey) autour
de Mars, les missions Chandrayaan, Lunar Reconnaissance Orbiter et Kaguya, autour de la Lune, et
les observations de Messenger pour la surface herméenne. En particulier, nous nous focaliserons sur
l’importance, jusqu’à présent largement sous-estimée, de la phase amorphe (produits de fusion
d’impact, verres volcaniques,…) dans les régolites planétaires, couplant l’analyse de données
spatiales et expériences de laboratoire qui caractériseront les propriétés optiques en fonction de la
morphologie des grains et leurs compositions. Par ailleurs, nous poursuivrons les analyses relatives
au radon et à l’uranium dans les environnements martien, lunaire et herméen. Ces travaux menés à
l’IRAP, à la fois au plan expérimental et au plan de la modélisation, seront effectués en collaboration
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
113
Section des unités de recherche
avec les laboratoires de Grenoble et d’Orsay (IPAG, IDES, IAS) et serviront à la préparation des
missions à venir Mars2020 (NASA), EXoMars (ESA) et Bepi-Colombo (ESA).
Petits corps du système solaire: L’étude des comètes sera à l’honneur au cours des années à
venir grâce à notre implication dans la mission Rosetta, à la fois lors de la mission de suivi qui a
débuté et lors de l'atterrissage imminent du module Philae à la surface de ce corps primitif. En ce qui
concerne la surface et sub-surface de cet objet, nous sommes impliqués dans les activités de
caractérisation de la structure interne grâce au radar CONSERT et à la mesure de la composition
chimique en différents points de la surface grâce à l'instrument APXS. Ces données apporteront des
indications sur le lien entre les comètes et les matériaux extra-terrestres collectés sur Terre. Le
deuxième volet d’étude concernant les petits corps sera focalisé sur Vesta et Ceres, deux astéroïdes de
la ceinture principale, vestiges de l’histoire très ancienne du système solaire. En détail, nos études
seront consacrées à la quantification et à la compréhension des différences en composition et en
minéralogie entre la surface de Vesta et celle de Ceres, à partir des données de la mission Dawn de la
NASA. Grâce à cette comparaison, nous espérons apporter des contraintes nouvelles sur la
chronologie de l’accrétion planétaire et la distribution spatiale de la matière au cours de ce processus.
Altérations chimiques en conditions extrêmes : Mars et Vénus, nos deux voisines immédiates,
ont ou ont eu une atmosphère agressive qui altère chimiquement et minéralogiquement les roches de
surface. Le transfert et le développement d’équipements expérimentaux dédiés à l’étude des
interactions eau-roche qui ont eu lieu lors du précédent contrat quinquennal seront mis à profit pour
explorer la chimie réactionnelle de l’altération de Mars et Vénus. Les objectifs visés sont la question
de l’existence possible de minéraux hydratés en surface de Vénus qui renvoie au contrôle du cycle de
l’eau, ses mécanismes et sa cinétique dans une atmosphère dense et chaude de CO2, et aux conditions
climatiques et chimiques de Mars primitif, clémente ou non. En complément de ces études, nous
prévoyons de mener des expériences de lixiviation en système fermé en laboratoire afin de simuler
l’altération des météorites et les roches terrestres très anciennes (du pré-cambrien), en particulier avec
un accent sur les conséquences pour le système isotopique Hf-W, utilisé à la fois comme chronomètre
et/ou comme témoin de la ségrégation métal-silicate.
4.3.7
Projets, Moyens d’Observation, Outils et Modélisation
La période 2016-2020 verra la livraison de nos contributions hardware à des missions majeures
de l'ESA: Bepi-Colombo (analyseurs électrons), Solar Orbiter (analyseurs ions), Exo-Mars (LIBSRaman) et JUICE, aux projets CNES : TARANIS (senseurs d’électrons énergétiques) et NASA :
SuperCam (LIBS-Raman). Nous renvoyons aux ‘fiches projets’ du rapport pour la description précise
de ces développements.
Pour compléter nos travaux instrumentaux, la valorisation des données ‘plasmas’ s'appuie sur
un ensemble d'outils mis en place au CDPP, avec en premier chef AMDA. Ces développements ont
été en partie permis par les projets FP7 Europlanet et HELCATS pour lesquels nous sommes leaders
ainsi qu’IMPEx. Le service STORMS (Solar-Terrestrial ObseRvations and Modeling Service) a été
labélisé SO6, avec deux outils majeurs déjà engagés : « Propagation Tool » et « Space Weather
Tool» . Enfin, en tant que centre d’archivage et de valorisation des données, le CDPP sera amené à
jouer un rôle important dans la distribution des données Solar Orbiter (instruments SWA et RPW) à
destination des Co-I et en interface avec l'ESA, avec des liens forts avec MEDOC et BASS2000.
Tous ces services donnent aussi des possibilités de partager les outils numériques que nous
développons. En plus des outils ‘space weather’ déjà cités, nous prévoyons une mise en ligne du
modèle TRANSCAR et à plus long terme, un outil complet de caractérisation de l’ionosphère appelé
IonoTool pour lequel les développements seront basés sur des réseaux de neurones et des méthodes
d’assimilation de données.
Par ailleurs, l'équipe s’intègre dans les actions d’envergure à l’échelle internationale. Par
exemple, nous sommes d'ores et déjà présents sur la proposition Europlanet-H2020 qui devrait prendre
la suite d'Europlanet-RI sur la période 2015-2020, avec en particulier des activités de météorologie de
l’espace aux planètes (PSWS) et VESPA, la suite d'IDIS, qui était l'observatoire virtuel en
planétologie développé pendant Europlanet-RI. En ce qui concerne les surfaces planétaires, nos
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
114
Section des unités de recherche
activités autour de la Lune et les petits corps constituent la base d’une action d’intégration au sein de
la structure SSERVI (Solar System Exploration Research Virtual Institute) de la NASA.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
115
Section des unités de recherche
4.4 DIP : Dynamique des Intérieurs Planétaires
(nouveau groupe issu du GPPS)
Contributeurs :
Chercheurs et enseignant-chercheurs : L. Margerin (CR 18, responsable), F. Bejina (CR 18), M. Bystricky
(MCF 35) M. Calvet (Phys. Adj. 35), M. Monnereau (CR 18), G. Quitté (CR 18), H. Samuel (CR 18), A.
Souriau (DR Emérite 18), M. Sylvander (Phys. Adj. 35), M. Toplis (DR 18) ; Chercheurs associés : S. Fabre (UT
2, PRAG), R. Garcia (ISAE),
Doctorants : T. Breton ( 2011- 2014), K. Gillet (2014 – 2017), J. Mayor (2013 – 2016), H. Mizzon (2011 –
2014), A. Proietti (2012 – 2015), N. Tercé (2012 - 2015)
ITAs – BIATSS – CDD : B. Houret (IE) – L. Jahan (IE) – S. Benahmed (AI) – F. Grimaud (T) – H. Pauchet
(CDD)
L’objectif scientifique de notre équipe est de comprendre le fonctionnement, l’évolution, ainsi
que la formation des planètes telluriques et en particulier de la Terre. Nos outils d’analyse et de
compréhension sont ceux de la physique et de la chimie: thermodynamique et rhéologie, dynamique
des fluides, propagation et transport des ondes. Notre travail de recherche comporte des aspects
expérimentaux -expérience en laboratoire à haute température et/ou haute pression, analyse
minéralogique et géochimique, déploiement de nappes de capteurs sismologiques et de réseaux
permanents-, numériques -modélisation des systèmes convectifs, simulation de la propagation et de la
diffusion des ondes en milieux complexes-, et théoriques -établissement de lois d’échelles en
mécanique des fluides, méthodes statistiques appliquées aux ondes en milieu complexe-. Tout en
poursuivant des recherches de pointe dans chacun des champs disciplinaires cités plus haut, notre
équipe a vocation à faciliter et stimuler les interactions entre disciplines afin de porter un regard
original sur les objets géophysiques et planétaires. Nos principaux domaines d’activité ainsi que des
passerelles existantes et/ou à créer entre ces domaines sont décrits ci-dessous.
4.4.1
Etude expérimentale des propriétés physiques des matériaux terrestres et
planétaires à haute pression, haute température
Notre groupe s'adosse sur la plateforme expérimentale de minéralogie de l’IRAP pour étudier
les propriétés physiques des matériaux composant les intérieurs planétaires. Nos équipements nous
permettent d'effectuer des expériences à haute température et à des pressions allant de 1 atm à
quelques GPa. Un module multi-enclume nous permettra bientôt d'atteindre des pressions de l'ordre de
15 GPa. Actuellement, nos thèmes de recherche principaux sont:
1) Mesure de l’effet de la teneur en FeO (principale différence chimique entre les manteaux de
Mercure, Mars, la Lune et la Terre) sur les paramètres élastiques des olivines et les vitesses de
propagation des ondes P et S.
2) Mesure de l'effet de pression sur la déformation d'agrégats d'olivine et d'enstatite. Des
expériences sont effectuées sous pression aux synchrotrons du Brookhaven National Laboratory
(USA) et de l'ESRF (Grenoble). Les lois rhéologiques obtenues pourront, par exemple, être incluses
dans les codes de convection mantellique développés dans notre équipe (thème 2).
3) Études de la croissance cristalline et de l’évolution microstructurale d’agrégats métal-silicate
et métal-silicate-liquide silicaté afin de mieux contraindre les processus de ségrégation métallique
dans les petits corps telluriques (thème 3). Il est ici important d'avoir des échantillons polycristallins
de compositions, tailles de grains et textures bien définies. L’utilisation de techniques novatrices de
synthèse de géomatériaux (spark plasma sintering, frittage sous vide) est pour cela fondamentale.
4.4.2
Dynamique interne des planètes
Comprendre la diversité des planètes telluriques constitue un défi majeur en géophysique. Avec
les récentes découvertes d’exo-planètes en grand nombre, dont les fameuses "super-Terres", la
zoologie des corps telluriques s’est considérablement enrichie, élargissant ainsi le spectre des
possibles évolutions planétaires.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
116
Section des unités de recherche
Pourtant, à ce jour trop peu d’études ont exploré les effets de cette diversité sur l’évolution des
planètes. Celle-ci ne se limite pas aux différences de composition et de taille des corps telluriques,
puisque des éléments externes peuvent également jouer un rôle prépondérant (distance à l’étoile,
interactions gravitationnelles entre corps planétaires, bombardements). Quelques travaux pionniers ont
pris en compte certains de ces effets, mais soit de façon trop simplifiée, ou bien sur des gammes de
variations trop restreintes.
Un important travail d’exploration géodynamique doit donc être mené, en s’appuyant sur les
données spatiales, tout en contraignant plus encore un référentiel comparatif terrestre, où le volume de
données collectées reste de loin le plus conséquent. Il convient donc de décliner cette tâche en deux
volets complémentaires:
1) La caractérisation de la structure actuelle et de l’évolution dynamique du référentiel terrestre,
par l’interprétation des observations de surface (sismologie, pétrologie, géochimie) à l’aide de
considérations dynamiques combinées aux contraintes apportées par la physique des géo-matériaux.
2) L’exploration systématique de l’évolution à l’échelle des temps géologiques (plusieurs
milliards d’années) des corps telluriques de taille et de composition différentes, y compris les exoplanètes. Si l’approche dynamique doit jouer un rôle central au sein de cet axe de recherche, elle
nécessite l’appui essentiel de la physique des minéraux afin de contraindre les propriétés physiques
qui influencent la dynamique des corps telluriques. Pour les larges objets telluriques comme les superTerres, les gammes de pressions et températures sont extrêmes et n’ont jamais été explorées.
4.4.3 Formation et différenciation des planètes et corps telluriques
Les premiers millions d'années du système solaire ont été ponctués de bouleversements majeurs
tels que les processus d'accrétion planétaire et la formation de noyaux métalliques et d’enveloppes
silicatées. Ces événements catastrophiques englobent un riche éventail de processus physiques et
chimiques interagissant sur de très grandes gammes d'échelles spatiales et temporelles. Ceux-ci ont
façonné l'état initial à partir duquel les planètes ont évolué jusqu'à l’instant présent. La compréhension
de ces premiers stades est donc fondamentale pour contraindre les milliards d'années d'évolution
ultérieure des corps telluriques. En raison de leur dynamique interne vigoureuse et de leur taille, les
planètes telluriques ont subi un ou plusieurs épisodes de fusion globale, ce qui complique la
reconstruction de leurs histoires précoces. Aussi cherche-t-on les traces de ces processus dans les
reliques préservées dans la ceinture d'astéroïdes, restes d'une planète en formation, dont des
échantillons nous parviennent naturellement : les météorites. La diversité chimique et minéralogique
de ces débris n'est pas simple à appréhender, et d'ailleurs, restituer leur classification dans un schéma
d'évolution de la formation des premiers corps du système solaire est un enjeu en soit. Leur analyse au
laboratoire livre de précieuses contraintes sur les premiers processus de différenciation dans le
système solaire ainsi que sur leur chronologie. Cela permet de comparer les prédictions des modèles
avec les observations et surtout de contraindre les échelles de temps de ces processus. Aussi la
modélisation numérique de ces derniers apparaît comme un outil incontournable pour relier les
différents aspects qui composent l’étude des premiers stades d’évolution des proto-planètes. L'analyse
géochimique, la pétrologie expérimentale et la modélisation numérique sont nos outils quotidiens.
C'est par ce dialogue pluridisciplinaire, assez rare au sein d'une même équipe, que nous espérons poser
un regard original et apporter des éléments de réponses à des questions fondamentales sur la formation
et la différenciation des corps telluriques.
4.4.4
Sismologie
Le groupe de sismologie de Toulouse a développé des compétences fortes dans la
modélisation de la propagation des ondes en milieu complexe, en imagerie globale et
lithosphérique, ainsi que dans la modélisation et l’exploitation des champs d’ondes sismiques
aléatoires. L’équipe de sismologie est également en charge des réseaux sismiques Sud-Ouest et
participe activement au déploiement du réseau sismique large-bande national. Tout en
poursuivant ses activités de valorisation scientifique des données acquises: étude de la sismicité
pyrénéennes, des structures crustales, risque sismique, le groupe continuera à avancer sur les
aspects méthodologiques. Nous poursuivrons le développement de méthodes de tomographie
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
117
Section des unités de recherche
d’atténuation et de variations temporelles fondées sur les ondes sismiques haute-fréquence en
adoptant une approche de diffusion multiple. On espère séparer les contributions de la diffusion
et de l’absorption dans le processus d’atténuation des ondes sismiques, et localiser plus
finement les variations temporelles affectant les milieux dynamiques -failles et volcans-. Nous
poursuivrons le développement de codes de simulation directe de la diffusion multiple en
géométrie sphérique, permettant de modéliser la diffusion des phases sismiques du manteau et
du noyau terrestre. Ces codes permettront également d'exploiter les données sismologiques
lunaires (Apollo) et les futures données martiennes (Insight) afin d'apporter de nouvelles
contraintes sur la structure interne de ces planètes. Enfin, nous examinerons le rôle des textures
-allongement, orientations préférentielles- dans l’anisotropie de propagation des ondes
sismiques à la fois en vitesse et en atténuation.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
118
Section des unités de recherche
4.5 MICMAC : Milieu Interstellaire, Cycle de la Matière, Astro-Chimie
(groupe inchangé)
Dans les années et décennies qui viennent, l'astronomie infrarouge et millimétrique (IR-mm) va
tenter de répondre à la question de nos origines, sur plusieurs aspects : origine des grandes structures,
assemblage et évolution des galaxies, formation et évolution des étoiles et des planètes etc. Le groupe
MICMAC va s’efforcer de contribuer à répondre à ces questions, en poursuivant ses recherches avec
son organisation autour des sous-thèmes scientifiques définis dans le groupe, mais aussi et surtout par
une réflexion plus commune à ces trois thèmes, particulièrement en ce qui concerne la physique du
couplage gaz-grain dans le milieu interstellaire. Nous allons également infléchir nos efforts vers la
modélisation, nécessaire pour interpréter les données recueillies dans ces domaines, de plus en plus
riches et complexes. Nous poursuivrons d’autre part notre effort au niveau du développement
instrumental, particulièrement pour les instruments destinés à être spatialisés, mais aussi pour les
expériences de laboratoire.
L'émission IR-mm des galaxies, comme celle des disques protoplanétaires, est dominée par les
régions où le gaz et la poussière sont irradiés par les photons UV : les régions de photodissociation
(PDR). L'émission des PDR sera étudiée par les observatoires au sol (ALMA, NOEMA, ELT...) et par
des missions spatiales (JWST, SPICA...). Dans ce contexte, un des enjeux majeurs - sur lequel
MICMAC souhaite se positionner - est de posséder les outils permettant de relier les signatures
spectroscopiques des PDR (ex: bandes des PAH, raies du gaz atomique ou moléculaire) avec les
conditions physiques (ex: température du gaz, densité, intensité du champ de rayonnement etc.), et
chimiques (propriétés des grains carbonés, présence d'eau à la surface des grains, lien avec la
"snowline" pour les disques). A partir des bases de données Spitzer (pour les bandes des PAH) et
Herschel (pour les raies du gaz), nous allons lancer une importante analyse statistique qui permettra
d’étalonner ce type de diagnostic spectroscopique. En parallèle de cette approche empirique, nous
développerons un modèle simple de PDR dont l’originalité sera d’inclure les aspects dynamiques, en
particulier la photo-évaporation, dont l’importance a été démontrée avec les études Herschel.
Les observations récentes à haute résolution spectrale de régions de formation d’étoiles avec
l'observatoire interférométrique ALMA ont montré les limitations des observations avec des
instruments à champ de vue unique. Par exemple, les données obtenues en phase "Science
Verification" vers la source IRAS 16293 révèlent une incroyable complexité quant à la structure de
cette protoétoile nécessitant des observations plus complètes à très haute résolution angulaire (subarcseconde). Ainsi les observations interférométriques avec l’ensemble des interféromètres accessibles
à notre groupe, (e)VLA, SMA, ALMA et NOEMA, permettra d'étudier finement les mécanismes de
formation stellaire et la physico-chimie de ces régions par l'observation détaillée de coeurs préstellaires, proto-étoiles de faible masse et forte masse, et disques proto-planétaires. Avec ces données,
la prise en compte de la structure en densité, température et vitesse s'avère nécessaire. Nous les
modéliserons avec des codes de transfert radiatif type RATRAN (1D) ou LIME (3D), pour lesquels
notre groupe a acquis une expertise et développe un outil qui facilitera l'utilisation de ces codes. Le
couplage de ces codes de transfert radiatif avec des codes de chimie est important pour tracer la
variation à petite échelle des propriétés physico-chimique du gaz, et nous contribuerons à ces
développements.
Dans le cadre du contrat européen NanoCosmos (ERC Synergy Grant 2014 – 2020), l'activité
astrophysique de laboratoire va connaître de nouveaux développements. D'une part, la plateforme
nanograins va se réorganiser autour des études de spectroscopie d'analogues de grains interstellaires et
circumstellaires en ambiance cosmique avec les dispositifs ESPOIRS et PIRENEA qui sera équipé
d'un spectromètre d'émission IR (opération soutenue par le projet RTRA 3PCkeys). D'autre part, deux
nouveaux dispositifs seront développés : PILAB, piège à ions pour l'astrophysique de laboratoire pour
l'étude des interactions nanograins/macromolécules avec les photons et le gaz et ANAMOL, analyseur
moléculaire pour l'étude du contenu moléculaire des analogues de nanograins cosmiques produits dans
différents réacteurs ou des grains d'origine météoritique. Ces deux dispositifs seront installés au
laboratoire LCAR-IRSAMC en bénéficiant de l'infrastructure expérimentale et du renfort à la fois
technique et scientifique du personnel du laboratoire.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
119
Section des unités de recherche
Nous allons nous intéresser aux processus de formation/destruction des PAH et très petits grains
en lien avec l’étude des petits hydrocarbures en phase gazeuse. Nous avons débuté cette étude dans
des PDR spatialement résolues et nous la poursuivrons dans les étoiles évoluées grâce au gain en
résolution spatiale des données ALMA. Nous allons également nous investir dans la caractérisation des
poussières dans ces environnements en analysant les données disponibles (Spitzer, ISO, Herschel) et
en préparant de nouvelles demandes d'observations au VLTI en particulier. Nous tirerons profit du
modèle de poussière DustEM et des données de laboratoire de la Plateforme nanograins pour l'analyse
de ces observations. L’extension vers les hautes températures (jusqu’à 800ºC) du dispositif ESPOIRS
permettra de sonder la poussière dans les environnements chauds comme les zones internes des
enveloppes circumstellaires où la poussière se forme. L’étude de ces régions va en outre bénéficier des
observations futures dans l’infra-rouge moyen avec MATISSE-VLTI et dans le domaine mm/submm
avec ALMA et NOEMA, apportant un diagnostic sur les phases solide et moléculaire.
Nous allons poursuivre les études sur l’évolution du MIS et le cycle de la matière à travers
l’interprétation des observations IR/FIR/submm. De nouveaux analogues de la matière cosmique vont
être étudiés : (i) la matière carbonée aliphatique et aromatique présente sous forme de manteau, de
grains séparés ou coagulés avec les grains de silicates suivant l’environnement denses ou diffus du
MIS, (ii) des grains composites de silicates contenant des inclusions de fer proposées pour expliquer
les mesures de polarisation et la forte opacité dans le proche infra-rouge. Les spectres expérimentaux
seront modélisés à l’aide du modèle TLS d’émission des grains développé dans le groupe MICMAC
afin de confronter les paramètres expérimentaux aux paramètres astrophysiques permettant de
reproduire les observations des différentes phases du milieu interstellaire. Les observations Herschel et
Planck, à la base de ces études, seront complétées au cas par cas par des observations millimétriques
(IRAM/NIKA) pour mieux contraindre l’émission de la poussière et sonder le degré de coagulation et
par des observations infrarouges (Spitzer, VLT/GTC/SOFIA) pour obtenir un diagnostic sur la
composition des grains.
Les études en polarisation sont en train de changer de façon drastique notre compréhension de la
structure du milieu interstellaire et de la nature des grains. Les résultats récents obtenus avec Planck
dans ce domaine ont mis en évidence un degré de polarisation de l’émission beaucoup plus fort
qu’attendu (jusqu'à 20%), et une structure angulaire des plus complexes. La polarisation offre
aujourd’hui une dimension supplémentaire pour contraindre à la fois les modèles de grains et la
structure magnétique des galaxies. Le groupe MICMAC entend donc s’impliquer fortement dans les
observations en polarisation, avec l’expérience PILOT dont il est PI, ainsi qu’avec la caméra NIKA2
sur le 30m de l’IRAM et avec ALMA. Ces observations ont d’importantes implications pour l’étude de
la physique du milieu interstellaire et de la formation des étoiles. A plus basse résolution angulaire,
elles sont aussi centrales pour la cosmologie du CMB, comme l’a récemment parfaitement démontré
l’épisode BICEP2, dont l’annonce de la découverte des modes B du CMB (ondes gravitationnelles
primordiales) est aujourd’hui publiquement remise en cause, du fait de la contamination par l’émission
polarisée de la poussière galactique. Dans ce cadre précis, les données de PILOT seront uniques pour
contraindre l’émission polarisée d’avant-plan au niveau de sensibilité requis pour la cosmologie.
Avec l’arrivée des moyens d’observations à plus haute résolution angulaire, comme la caméra
NIKA sur le 30m de l’IRAM et ALMA, les études du milieu interstellaire vont s’étendre vers les
sources plus distantes. En particulier l’étude des galaxies extérieures va prendre une place de plus en
plus importante. Avec ALMA et NOEMA, il est désormais possible d’entreprendre des observations du
milieu interstellaire dans les galaxies proches, avec une résolution proche de celle obtenue vers notre
Galaxie. Ceci va permettre entre autre de contraindre la dépendance avec l’environnement du cycle
d’évolution du gaz et de la poussière, la formation stellaire, la métallicité, la turbulence, le type
galactique, etc… Pour la poussière par exemple, l’analyse préliminaire des données Planck et
Herschel dans notre Galaxie et les galaxies les plus proches (Nuages de Magellan, M31, M33…) a
montré d’importantes variations de l’émissivité des grains qui semblent liées à la colonne de densité.
Ces variations requièrent des changements systématiques de la nature des grains avec l’environnement,
changements qui ne sont absolument pas compris aujourd’hui. Le groupe MICMAC s’engage
aujourd’hui dans ces études, en particulier dans le cadre de propositions ALMA acceptées et dans une
participation active aux observations avec NIKA.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
120
Section des unités de recherche
Nous poursuivrons aussi nos efforts dans la fourniture à la communauté d’outils permettant
d'aider à modéliser des sources ayant une structure physique (> 0D) en couplant des codes de transfert
radiatif et des modèles de chimie, à travers le logiciel CASSIS que nous développons. Pour cela nous
travaillons à la définition d'un Pôle Astrochimie et Physique du milieu Interstellaire (PAPI) au sein de
l'OMP. Ce pôle vise à créer une synergie entre études de laboratoire, observations et modélisation à
travers les différents protocoles, modèles et standards définis dans le cadre de l'IVOA et de VAMDC.
Le but de ce projet est de lier certains outils de modélisation (CASSIS, DUSTEM, NAHOON,
NAUTILUS…) à des données de chimie (KIDA), des données de laboratoire (ESPOIRS, PIRENEA…)
et des données observationnelles (LMFAOPS, CADE…) à travers une interface OV que nous
fournirons à la communauté.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
121
Section des unités de recherche
4.6 GAHEC : Galaxies, Astrophysique des Hautes Energies, Cosmologie
(groupe inchangé)
La prospective du GAHEC est organisée autour de quelques grandes questions scientifiques
issues du séminaire de prospective du groupe en février 2014. Ces questions, présentées brièvement
ci-dessous, sont à l'intersection des quatre grands axes autour desquels s'articule aujourd'hui l'activité
du groupe (Cosmologie et Physique fondamentale, Galaxies et Grandes Structures, Astrophysique des
Objets Compacts, Accélération des Particules et Phénomènes Explosifs). L'objectif à court et moyen
terme est de privilégier les lignes directrices pour lesquelles les compétences transverses entre ces axes
sont mises en œuvre et renforcées. La combinaison de ces savoir-faire et notre expertise collective
sera un gage de réussite pour les grands projets de la discipline dans lesquels notre groupe est engagé.
4.6.1
Objets compacts et physique de l'extrême :
Quelle est la nature de la matière à l’intérieur des étoiles à neutrons ? Comment et où sont
accélérés les rayons cosmiques de hautes énergies ?
Le premier enjeu scientifique associé à ces deux questions est de comprendre in fine de quoi est
constituée la matière et de tester le modèle standard de la physique des particules. D'une part,
l'existence des rayons cosmiques de très hautes énergies (jusqu'à 1020 eV, bien au-delà des énergies
atteintes par le Large Hadron Collider au CERN) montre qu'il existe dans l'Univers des accélérateurs
très puissants permettant de dépasser les expériences de laboratoire, vraisemblablement les noyaux
actifs de galaxies et les sursauts gamma. D'autre part, les étoiles à neutrons offrent la perspective
fascinante d'étudier les briques fondamentales de la matière dans un régime où les particules sont dites
« froides » (i.e. très peu énergétiques) et soumises à des densités supra-nucléaires. La compréhension
des constituants de la matière dans ces régimes inaccessibles en laboratoire passe par une collaboration
rapprochée avec les physiciens des particules, ce qui nécessite d'exprimer nos mesures astrophysiques
dans un cadre lisible pour ces derniers (en calculant par exemple la masse et le rayon des étoiles à
neutrons, l'intensité du champ magnétique dans les progéniteurs des rayons cosmiques de très hautes
énergies, ou la distribution en énergie et la composition des particules accélérées).
Pour appréhender le contexte astrophysique de ces environnements extrêmes, on doit aborder
des problèmes complexes qui constituent autant de défis, tels que les phénomènes d'accrétion/éjection
aux abords des objets compacts, la quantité et la composition des baryons injectés dans les milieux
intergalactique et interstellaire, les processus de refroidissement et de chauffage radiatifs associés aux
particules accélérées, l'influence des champs magnétiques aux différentes échelles sur la propagation
des rayons cosmiques, l'influence de la turbulence dans les mécanismes d'accélération, sans oublier les
transpositions à d'autres champs de l'astrophysique. Ce thème est décidément transverse entre
l'astrophysique et la physique des particules. Des synergies existent déjà entre les différents axes
thématiques du GAHEC et avec leurs partenaires extérieurs, notamment au sein du LabEx OCEVU.
Ces efforts seront poursuivis et renforcés au travers des actions suivantes :
i) Une collaboration renforcée à l’intérieur du LabEx OCEVU, sachant que plusieurs
laboratoires du LabEx participent au projet CTA. Cette collaboration se traduit entre autres par le
financement et le co-encadrement de thèses et de postdocs.
ii) L'exploitation des missions en cours, telles que Fermi, XMM-Newton, NuSTAR, Swift, et la
préparation de celles qui seront en développement pendant le prochain quadriennal au sein du GAHEC
(CTA, SVOM, ATHENA). La synergie entre ces futures missions, et avec d'autres groupes
thématiques de l'IRAP autour de ce thème sera au cœur du prochain quadriennal.
iii) La poursuite et le renforcement de nos collaborations nationales et internationales
rassemblant astrophysiciens et physiciens nucléaires visant à apporter des contraintes
observationnelles plus précises/adaptées sur la masse et le rayon des étoiles à neutrons pour
contraindre l'équation d'état de la matière par l'ajustement des spectres X de haute qualité avec des
modèles réalistes d'atmosphère.
iv) L'amélioration des modèles d'atmosphère d'étoiles à neutrons et des codes de ray-tracing
permettant de contraindre la masse et le rayon des étoiles à neutrons (e.g. Pancrazi et al. 2012; Artigue
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
122
Section des unités de recherche
et al. 2013). Ce développement prend son importance dans le cadre la mission NICER (Neutron star
Interior Composition ExploreR) à laquelle notre groupe participe.
v) Le programme d'action transverse astrophysique-physique fondamentale de l'Université Paul
Sabatier/IRAP (ASPHON, cf. Section « Réalisations »)
Enfin, le GAHEC jouera un rôle déterminant dans le développement et l'optimisation
scientifique du spectromètre à haute-résolution X-IFU (dont l'IRAP sera PI) sur ATHENA. Cet
instrument apportera des contraintes majeures sur la masse et le rayon des étoiles à neutrons par la
détection directe des raies décalées gravitationnellement vers le rouge dans les atmosphères de ces
étoiles.
4.6.2
Formation des galaxies et des grandes structures :
Questions ouvertes sur la co-évolution des trous noirs, des galaxies, des amas de galaxies et du
milieu inter-galactique
Un des grands succès de la cosmologie moderne à l'ère de Planck/WMAP est de reproduire les
grandes structures de l'univers (filaments, amas, etc) à partir des petites perturbations du fond diffus
cosmologique à l'aide de puissantes simulations numériques. A l'échelle des galaxies, tous les modèles
prédisent une fonction de masse des halos de matière noire qui est en désaccord avec la fonction de
luminosité observée des galaxies, avec une diminution relative de cette dernière à la fois vers les
galaxies massives et vers les galaxies de faible masse. Ainsi, l' « efficacité » de formation des galaxies
dépend fortement de la masse des halos, passant par un maximum pour des galaxies de
masse/luminosité moyenne. Les processus de rétro-action des noyaux actifs dans les galaxies
massives, et des vents galactiques générés par l'effet collectif des supernovae dans les galaxies de
faible masse sont traditionnellement invoqués pour freiner la formation d'étoiles. A plus grande
échelle, la formation des groupes et des amas de galaxies coïncide avec le maximum de la formation
d’étoiles dans les galaxies et le pic d’activité des trous noirs (1 < z < 3). Les mécanismes de coévolution sont la clé de notre compréhension de l’assemblage des structures à ces différentes échelles.
Ils fournissent l’énergie permettant d'éviter le refroidissement excessif du gaz au centre des groupes et
des amas de galaxies. Ils régulent la formation d’étoiles dans les galaxies et l’activité de leurs trous
noirs centraux. Ils lient la masse de ces trous noirs à la dispersion de la vitesse des étoiles de leurs
galaxies hôtes. Ils permettent l’enrichissement chimique des grandes structures par le cycle de
formation stellaire des galaxies. Ou encore ils corrèlent l’éjection de matière et d’énergie des trous
noirs à l’échelle du kilo-parsec aux propriétés du gaz chaud des groupes et des amas à l’échelle du
mega-parsec.
Pour comprendre la formation des galaxies dans le régime de faible masse/luminosité, il est
nécessaire de progresser dans notre connaissance des vents galactiques, devenus des ingrédients
indispensables dans les modèles semi-analytiques ou hydro-dynamiques, alors que leurs propriétés
restent encore très énigmatiques. Grâce à la technique utilisant des lignes de visée de quasars (e .g.
Bouché et al. 2012), et à la contribution importante du GAHEC dans l'exploitation du temps garanti de
MUSE au VLT, l'IRAP jouera un rôle majeur dans cette thématique à court et moyen terme. Nous
pourrons en particulier comparer le taux d'éjection de matière au taux de formation stellaire des
galaxies, les deux étant liés d'après les modèles. A plus long terme, l'IRAP contribuera fortement à
cette thématique grâce, d'une part, au leadership de X-IFU sur le futur observatoire ATHENA qui
permettra de caractériser la cinématique du gaz chaud dans les vents galactiques et, d'autre part, à
notre contribution au projet MOSAIC qui équipera certainement l'E-ELT, permettant de caractériser
les propriétés des galaxies de faible masse et leur gaz environnant dans les tous premiers instants de
leur formation. Ces travaux permettront également de faire le lien avec l'enrichissement du milieu
inter-galactique.
Le phénomène de rétro-action des AGN par des trous noirs super-massifs (> 106 masses
solaires, SMBHs) pose le problème de leur origine, sachant qu'ils doivent être présents très tôt après le
Big-Bang (quelques 108 années typiquement). Quelle que soit la méthode proposée pour les assembler
– la coalescence de trous noirs ou l'accrétion de matière sur un trou noir, voir un mélange des deux
mécanismes – le processus repose sur l'existence et la croissance des trous noirs de masse
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
123
Section des unités de recherche
intermédiaire (102 à 105 masses solaires), dont le premier cas a été découvert par l'équipe de l'IRAP
(Farrell et al. 2009). Notre groupe s'est positionné naturellement sur la recherche de ces objets par des
observations complémentaires avec XMM-Newton, ATCA, VLA, ALMA et éventuellement SKA, un
projet ambitieux qui passe par l'étude d'objets tels que les sources X ultra-lumineuses (ULXs) avec les
observatoires actuels (XMM-Newton, Chandra, Suzaku et NuSTAR). Pour mieux comprendre la coévolution des trous noirs super-massifs, nous nous intéressons à la fraction d'occupation des SMBHs
dans les galaxies naines les moins massives et à la fonction de masse des SMBHs (en particulier vers
les faibles masses), ainsi qu'aux lois d'échelle reliant, par exemple, la masse des trous noirs à la masse
des halos dans lesquels ils résident. La mesure du spin de plusieurs SMBHs devrait permettre de
contraindre le mode d'évolution de ces objets et de faire le lien entre leur assemblage et les
phénomènes associés d'accrétion/éjection. Ces mesures devraient être accessibles grâce aux
instruments actuels, en préparation des missions futures telles que ATHENA et Astro-H. Ces travaux
expérimentaux s'accompagneront d'un effort de modélisation des vents dans les AGN, à l'aide d'un
code de photo-ionisation en cours de développement.
A plus grande échelle, l’étude de la thermodynamique du milieu intra-groupe/amas permettra
de comprendre les mécanismes de chauffage et de refroidissement qui façonnent les grands halos de
matière (groupes et amas), comment l’énergie gravitationnelle est convertie sous forme thermique ou
non-thermique, et comment sont diffusés les éléments lourds à l’échelle du méga-parsec. A grand
redshift, l’effondrement gravitationnel des proto-amas, l’évolution des galaxies qui les peuplent et la
rétro-action sur le gaz chaud sont encore très mal compris. Il est donc important de sonder la matière
dans les grandes structures en étudiant leur phase chaude (le gaz) et leur phase froide (les galaxies).
Nous continuerons d'observer la phase chaude par les moyens d’observation X actuels, notamment
XMM-Newton. Pour remonter jusqu'à l'époque de formation des premiers groupes et amas (z~2), seul
ATHENA permettra d’observer ce milieu et d'en caractériser les propriétés physiques. La phase froide
est accessible via l'émission des galaxies, de l'optique à l'infrarouge lointain. A grand redshift,
l’activité cumulée de formation stellaire dans les galaxies génère de grandes quantités de poussière
dont l’émission est détectée dans l'infrarouge lointain (avec Planck et Herschel). Nous allons
caractériser cette population de proto-amas via leur étude en optique et proche infrarouge avec
MUSE/VLT, et plus tard statistiquement grâce à EUCLID et au E-ELT.
Notre groupe aura une contribution majeure à l'identification et l'étude des premières galaxies,
un projet ambitieux dans lequel nous sommes pionniers. Les observations avec MUSE au cœur
d'amas-lentilles permettront de porter des contraintes directes sur les sources de la réionisation grâce à
la caractérisation simultanée de l'émission Lyman alpha et des galaxies formant des étoiles dans un
même volume d'univers. Ces efforts devraient se poursuivre avec EMIR sur le GTC (2015) et plus tard
sur JWST et E-ELT. ATHENA devrait permettre d'observer les premiers SMBHs formés dans
l'univers. Suite à la détection par notre groupe des premières galaxies poussiéreuses avec un taux de
formation stellaire normal au-delà de z~4, l'étude détaillée de la cinématique et de la chimie du gaz
moléculaire dans ces galaxies distantes (ou hôtes de quasars) devrait se poursuivre grâce aux
observations mm/sub-mm avec Herschel, IRAM, ALMA, SMA, et plus tard avec SPICA, WISH et
CCAT, en claire synergie avec le groupe thématique MicMac.
4.6.3
Sursauts gamma et astrophysique multi-messager :
Quel est l'impact des supernovae et des GRB sur l'évolution des baryons ? Comment utiliser les
GRB pour sonder l'univers jeune ?
L'étude des phénomènes explosifs est l'un des axes transverses de la prospective du GAHEC
parce qu'elle émarge à plusieurs questions scientifiques majeures évoquées ci-dessus, fournissant un
nouveau regard expérimental lié à l'astrophysique multi-messager. Nos recherches dans ce domaine
reposent à la fois sur des travaux de simulation et de théorie sur des régions à haute densité d'énergie,
sur notre contribution à plusieurs instruments majeurs dans la discipline, tels que le réseau de
télescopes Cerenkov CTA (en service en 2020), et les missions spatiales SVOM (mission FrancoChinoise à horizon 2021) et ATHENA, sans oublier la surveillance du ciel visible pour la détection et
le suivi de phénomènes explosifs.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
124
Section des unités de recherche
Un de nos principaux objectifs est d'améliorer notre compréhension de deux processus majeurs
de l'astrophysique : la création des trous noirs stellaires (progéniteurs, taux de naissance), sujets déjà
abordées ci-dessus, et la physique des jets relativistes. Ces derniers seront étudiés par le biais des
sursauts gamma qui en permettent l'étude dynamique de façon détaillée, et par le biais de simulations
numériques prenant en compte les phénomènes physiques qui y sont à l’œuvre, par exemple la
reconnexion magnétique relativiste et les conséquences pour l'émission de neutrinos et de rayons
cosmiques.
Notre groupe souhaite contribuer au développement de l'Astrophysique multi-messager par le
suivi dans le domaine visible et en rayons X des détections possibles de signaux d'ondes
gravitationnelles et de neutrinos, en cherchant les coïncidences de ces signaux avec des sources
transitoires dans le visible et dans les HE. La mission SVOM contribuera particulièrement à l’essor de
l’astronomie multi-messagers, en identifiant et localisant rapidement les GRB courts qui sont les
phénomènes de l’univers local les plus à même d‘émettre des ondes gravitationnelles. Aussi, la
détection de plusieurs Tidal Disruption Events permettrait la mise en évidence de trous noirs jusque-là
en quiescence, et fournirait par conséquent un regard unique sur la formation des SMBHs.
L'impact des régions à haute densité d'énergie sur la nucléosynthèse peut être appréhendé en
étudiant des étoiles au cours et à la fin de leur vie (supernovae), l’origine des positrons (antiparticules
des électrons) qui s’annihilent dans notre Galaxie et la physique de l’accrétion de la matière par les
trous noirs. Les synergies avec l'étude des objets compacts et la physique de l'extrême sont clairement
identifiées. Le GAHEC sera en mesure d'aborder ces questions du point de vue de l'astrophysique
nucléaire grâce à sa participation au Nuclear Compton Telescope (NCT).
Enfin, l'équipe contribuera de façon significative à l'étude de l'univers lointain, en utilisant les
sources à hautes-énergies détectées par SVOM et ATHENA pour mesurer l'histoire de la réionisation
et de l'enrichissement des premières galaxies en métaux, en synergie avec la formation et l'évolution
des galaxies et des grandes structures dans l'univers.
4.6.4
Questions sur les fondations du modèle standard en cosmologie
L’évolution récente de la cosmologie est allée dans le sens de l’élaboration d’un modèle
standard qui à l’heure actuelle rend compte de l’ensemble des observations pertinentes pour la
cosmologie, en décrivant l’univers entre 10-31s et aujourd’hui. Deux composantes de l’univers restent
encore mal connues dans ce modèle : la matière noire et l’énergie noire. Confirmer ce modèle dans ses
prédictions les plus précises est l’ambition des futures expériences au sol et surtout du projet spatial
européen EUCLID. L'exploitation scientifique des futures données fait une part belle à l’interprétation
en termes de contraintes sur les modèles d’extension de la relativité générale. La détection possible des
modes B pourrait constituer un autre volet permettant de conforter un modèle standard. Comme pour
l’énergie noire, les conséquences pour la physique fondamentale sont tout à fait critiques offrant dans
un cas comme dans l’autre une voie quasi unique d’exploration d’une physique inaccessible en
laboratoire. Aussi, la distribution en masse et en redshift des amas de galaxies pourraient être utilisée
en tant que sonde cosmologique. Dans le contexte actuel, les enjeux scientifiques sont bien définis,
mais le cadre théorique pour l’analyse des observations doit lui-même être testé. C’est la logique du
programme scientifique qui sera poursuivi en Cosmologie au sein du GAHEC autour des questions
suivantes :
i) Peut-on expliquer l’énergie noire comme une manifestation du vide quantique ? L’origine de
l’accélération de l’expansion de l’univers est actuellement recherchée comme étant due à la présence
d’une nouvelle composante physique (comme la quintessence) ou du fait d’une version modifiée de la
relativité générale. Toutefois une explication plus naturelle serait que l’origine de l’accélération est
une manifestation gravitationnelle du vide quantique, possibilité envisagée depuis l’avènement de la
relativité générale mais relativement peu explorée du fait que l’échelle d’énergie ne correspond à
aucune échelle de la physique des particules. Elle pourrait cependant correspondre à un effet
astrophysique.
ii) Quelle est la robustesse du modèle standard de la cosmologie ? Un certain nombre
d’hypothèses peuvent être testées en périphérie du modèle : une présence significative d’antimatière
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
125
Section des unités de recherche
dans l’univers est-elle envisageable ? Peut-on mesurer certaines caractéristiques de l’univers (comme
sa courbure) sans se placer dans le cadre de la relativité générale ? Peut-on détecter des signatures de
non-gaussiannité dans les données astrophysiques ?
Le GAHEC sera en mesure d'aborder ces questions à l'interface entre la cosmologie et la
physique fondamentale grâce à son expertise acquise suite à action transverse ASPHON, aux
collaborations développées au sein du LabEx OCEVU, et à son implication dans des projets majeurs
de la discipline, dont EUCLID et la mission M4 de l'ESA.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
126
Section des unités de recherche
4.7 SISU : Signal Image pour les Sciences de l’Univers
(groupe inchangé)
Différents types d'actions sont prévus sur le thème « problèmes inverses, déconvolution et
reconstruction d'images » en Sciences de l'Univers.
Les travaux que nous avons engagés en synthèse d'ouverture en observation de la Terre, en tant
qu’Expert Support Laboratory, dans le cadre de la mission SMOS vont se poursuivre au-delà des trois
années de la durée de vie initialement prévue. En parallèle de la poursuite de nos travaux pour
automatiser et réduire le temps de calcul de la détection/localisation des sources d'interférences radiofréquences (RFI), nous allons nous attaquer à un problème de réduction significative des biais audessus des océans.
En lien avec l'exploitation des données de MUSE, nous allons continuer les travaux que nous
avons engagés sur la déconvolution d'images hyperspectrales, tant ceux sur les méthodes de
débruitage/déconvolution par approximation spectrale parcimonieuse sur un dictionnaire ad'hoc que
ceux spécifiques à l'étude de la cinématique des galaxies.
Nous désirons aussi poursuivre les recherches récemment initiées sur la correction et
déconvolution d'images d'observation de la Terre en présence de saturation. Un brevet va être
prochainement déposé sur une des méthodes proposées. Des applications en astrophysique seront
étudiées, notamment avec un objectif de haute dynamique tel qu'envisagé pour l'instrument
FRESNEL.
Plusieurs pistes sont à l'étude pour l'estimation des paramètres stellaires fondamentaux à partir
de spectres à haute résolution, en collaboration avec le groupe PSE de l'IRAP. Parmi elles, la
recherche d'espaces de représentation adéquats de faibles dimensions semble la plus pertinente.
Après une phase initiale de calibration du réseau global, la nouvelle méthode de calibration des
réseaux GNSS proposée par A. Lannes, qui s'est révélée très performante, devrait permettre la
détermination en temps réel des retards d'horloge des nouveaux satellites apparaissant dans le champ
des récepteurs du réseau. L'enjeu est de taille, car cela permettrait au « maître du réseau » de
communiquer en temps réel les valeurs de calibration à tous les récepteurs individuels (GPS, par
exemple) qui pourraient alors en déduire leur positionnement précis.
Par ailleurs, les recherches en Séparation Aveugle de Sources (SAS) que nous prévoyons de
mener dans les années à venir s'articulent autour des classes de méthodes et champs d'application
définis dans la partie de ce document relative au bilan de la période qui s'achève.
Ainsi, nos recherches liées à l'astrophysique comporteront deux volets principaux. Le premier
concerne le projet EUCLID. Dans ce cadre, nos travaux couvriront la modélisation de la structure des
données à traiter (en lien étroit avec nos collègues astrophysiciens), le développement de méthodes de
SAS adaptées à ce type de données et la validation de ces méthodes sur des jeux de données de plus en
plus réalistes. Le deuxième volet visera à étendre nos méthodes fondées sur la parcimonie, afin de tirer
le meilleur parti possible des propriétés de ce type vérifiées par les signaux astrophysiques considérés
(notamment données du projet HERSCHEL ; collaboration avec le groupe MICMAC de l'IRAP).
En lien avec l'Observation de la Terre, nous poursuivrons nos recherches méthodologiques
relatives à la séparation de mélanges linéaires-quadratiques et nous appliquerons ces méthodes à des
images de télédétection en milieu urbain. Par ailleurs, nous approfondirons les études récemment
débutées dans le domaine de la séparation de sources (spectres de réflectances) statistiquement
dépendantes.
Enfin, nous poursuivrons le développement, récemment entamé, de méthodes de séparation de
sources quantiques dans lesquelles le traitement est aussi réalisé à l'aide de moyens quantiques (par
opposition à la conversion quantique/classique initiale des « mélanges » disponibles).
En outre, nous souhaitons poursuivre nos travaux méthodologiques sur l'analyse spectrale et la
recherche de périodicité dans des séries temporelles irrégulièrement échantillonnées. En particulier,
notre expérience dans ce domaine et le développement récent des méthodes d'approximation
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
127
Section des unités de recherche
parcimonieuse (aussi bien déterministes, de type optimisation, que stochastiques, par approche de
Monte-Carlo) nous laissent entrevoir un axe méthodologique prometteur pour la prise en compte de
modèles non linéaires, tels que le cas d'orbites Képlériennes pour la détection d'exo-planètes, dans
l'approximation parcimonieuse.
Enfin, nos études en Instrumentation comporteront les volets suivants durant les prochaines
années :
- SMOS et SMOSnext : nos travaux dans le cadre SMOSnext vont se poursuivre au-delà du
laboratoire, par la validation de la synthèse d'ouverture spatio-temporelle à l'aide de simulations
réalistes du champ électromagnétique incident. Nous investissons dans les architectures massivement
parallèles de type GPU, par exemple pour simuler les signaux du radio-télescope de Nançay, afin
d’affiner et valider notre approche. De plus, nous allons participer au développement d'un
démonstrateur en bande L incluant 2 antennes, 2 récepteurs et un corrélateur, aux caractéristiques
proches de celles requises pour la mission. Cette activité en association avec le CESBIO sera soutenue
par le CNES.
- Coronographes du pic du Midi : nous continuons le suivi du Soleil à long terme, presque 365
jours par an, avec l'aide de nombreux bénévoles qualifiés. La période d'échantillonnage image sur les 2
lunettes et 2 coronographes est de 1 minute et leur résolution de 1" d'arc. Notre capacité de temps réel
permet aussi l'alerte « météo solaire ».
- Speckle et étoiles doubles : notre programme « étoiles doubles » vise les étoiles jeunes (préséquence principale) et les naines rouges du voisinage solaire, pour déterminer leurs orbites et masses,
encore mal connues. Deux projets sont en cours : (i) transfert de l'instrument focal PISCO vers le
nouveau télescope Epsilon de 1 m de Calern à l'OCA, à acquisition et traitement automatisés ; (ii)
automatisation de l'instrument PISCO2 sur la lunette 76 cm de Nice à l'OCA.
- Imageur de Fresnel : cette optique diffractive légère donne des images à haute résolution
angulaire et haut contraste. Nous travaillons à ses applications astrophysiques UV et préparons une
mission sur la station spatiale internationale. Une thèse démarre en 2014 sur les défis technologiques
et scientifiques qui sont : améliorer la luminosité, simplifier le vol en formation et élaborer un
programme compétitif pour une mission à grande ouverture en UV.
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
128
Section des unités de recherche
5 ANNEXES demandées par le HCERES
ANNEXE_1_Fiches_synthetiques.zip (archive compressée)
ANNEXE_1_Fiches_synthetiques.pdf (un seul fichier pdf)
Annexe 2 :
Lettre de mission contractuelle (sans objet)
ANNEXE_3_Plateformes_et_Equipements.pdf
ANNEXE_4_Organigrammes.pdf
ANNEXE_5_ReglementInterieur_IRAP.pdf
ANNEXE_6_Publications.zip (archive compressée)
ANNEXE_6_Publications.pdf (un seul fichier pdf)
ANNEXE_7_Liste_des_contrats_IRAP2011-2014.pdf
ANNEXE_8_DocUniquedEvaluationdesRisques.pdf
ANNEXE_9_donnees_du_contrat_en_cours.xlsx
ANNEXE_9_donnees_du_prochain_contrat_IRAP.xls
ANNEXE_9_Listes_signes_IRAP.pdf
6 ANNEXES proposées par l’IRAP
ANNEXE_A_bilan_departs_arrivees_permanents.pdf
ANNEXE_B_RH_Techniques_et_GroupesMetiers.pdf
ANNEXE_C_FichesProjets.zip (archive compressée)
ANNEXE_C_FichesProjets.pdf (un seul fichier pdf)
ANNEXE_D_Ressources_financieres_et_depenses.pdf
ANNEXE_E_Services_dObservation.pdf (un seul fichier pdf)
ANNEXE_E2_Fiches_Services_dObservation.zip (archive compressée)
ANNEXE_F_CST_R&D_15avril2014.pdf
ANNEXE_G_Actions_Pluridiscipinaires.pdf
ANNEXE_H_SeminaireIRAP_31mars1eravril2014.pdf
ANNEXE_I_Manuel_Qualite_IRAP.pdf
ANNEXE_J_complements_MICMAC.pdf
Vague A : campagne d’évaluation 2014-2015
Janvier 2014
129