Prospective astroparticules cosmologie Les 50 prochaines annes Cest

Prospective astroparticules cosmologie Les 50 prochaines années?

C’est quoi? • Discipline à cheval entre physique nucléaire, physique des particules et astrophysique • Science basée sur l’observation de messagers de l’espace plutôt que sur des expériences • Découvertes souvent inattendues • Retombées importantes

Disciplines montantes • Succès spectaculaires récents – – – – Explosion de SN 1987 a Nombre de neutrinos légers (nucléosynthèse) Fluctuations du rayonnement de fond cosmologique Effets de lentille et de microlentille Oscillation de neutrinos Sursauts gamma Constante cosmologique (? )

Objectifs (1) • Cosmologie – Histoire de l’Univers – Contenu/géométrie – Structuration • Physique fondamentale – Gravitation: Mise à l’épreuve • en champ fort • dans des phénomènes violents (coalescence de binaires, supernovæ) • A petite distance (extradimensions) – Lois fondamentales de la dynamique? –Variations de constantes fondamentales?

Objectifs (2) • Physique des états extrêmes – Rayons cosmiques de ultra-haute énergie • Que peut-on apprendre sur les lois de la physique? • Physique des sources: Comment fonctionnent les accélérateurs cosmiques? – Phénomènes violents (supernovæ, désexcitation de trous noirs, sursauts g) – Nouveaux états de la matière? – Astrophysique nucléaire. Nucléosynthèse primordiale et stellaire

Techniques de l’astroparticule (1) • Détection électromagnétique à toutes longueurs d’onde – Radio (à partir de 21 cm*) : interférométrie – Micro-onde: bolométrie – Optique (astronomie): télescopes, CCD, détecteurs IR – Rayons X – Rayons g: chambres à dérive, Cherenkov… – Cosmiques de haute énergie (g, protons, antiprotons, He, Fe): Calorimétrie atmosphérique *Et même (1+z)x 21 cm

Techniques de l’astroparticule (2) • Détection messagers non électromagnétiques – Neutrinos: Cherenkov – Ondes gravitationnelles: interférométrie optique – WIMPs: recherche directe (bolométrie) et indirecte (neutrinos) – Axions • Techniques numériques – Un des seuls moyens pour aborder les modèles de structure de l’Univers.

La distorsion de l’image des galaxies du fin fond de l’univers

Ce que nous ne savons pas • Qu’est-ce que la matière cachée? • L’énergie sombre? • D’où vient le déséquilibre matièreantimatière? • Quelle physique avant l’ère de Planck? • Combien de dimensions? • Validité de la physique connue aux conditions extrêmes

Rayons cosmiques de Ultra haute énergie: 1018 -1020 e. V (soit 1 à 10 Joules) • Nature • Sources • Physique avec E>ELHC

Le spectre aujourd’hui le genou bien établi le second genou : pas clair La cheville, presque établie La coupure GZK : La controverse AGASA/Hires

Enjeux • Compréhension du spectre (court terme) • Recherche de sources (moyen et long terme) • Composition du rayonnement cosmique – Galactique, extra-galactique – Composition chimique

Pour les atteindre x 10 à 100 • Upgrade Auger • Auger Nord • Missions spatiales: voir les gerbes de haut • Techniques radio: Les grandes gerbes émettent des ondes radio (R&D Codalema) • Techniques d’écho radar sur la région ionisée par les gerbes EUSO H=400 km, R=230 km

HESS 2 (High Energy Stereoscopic System)->2008 • Vision stéréoscopique de g d’énergie >100 Ge. V par effet Cherenkov • Télescope de 32 x 24 m 2, 850 miroirs • Caméra: matrice de 2048 PM

Cosmologie, astrophysique

La loi de Hubble Vitesse de fuite Distance V=H 0 x D 71 ± 4 km/s par Megaparsec* V= 22 x Distance (en million d’années-lumière) ou V= 2, 3. 10 -18 x Distance (en km) *1 Megaparsec (Mpc) = 30 800 000 000 000 km!

Conséquences de la loi de Hubble • L’univers que nous connaissons a un âge fini dont on peut facilement avoir une idée. En supposant que le taux d’expansion est resté constant : Prenons une galaxie située à la distance D de la Terre. Quelle durée t 0 lui a-t-il fallu pour parcourir cette distance D à la vitesse V ? V. t 0=D et V=H 0. D => V=H 0. (V. t 0) => t 0=1/H 0 A. N : H 0 = 2, 3. 10 -18 s-1 => t 0 = 4, 3. 1017 s = 14 milliards d’années • L’univers est passé par un stade très dense et très chaud • Peut-on prévoir quelque chose de plus?

Techniques d’arpentage de l’Univers • Avec une source calibrée de luminosité absolue L: F=L/(4 pd. L 2) Mesure de luminosité apparente: Supernovæ • Avec un étalon de longueur x: q = x/d. A Mesure de taille angulaire apparente: Oscillations de baryons = taille des fluctuations de densité de baryons à une certaine époque

Supernovæ thermonucléaires (SN 1 a)

Détection et caractérisation des SNs

Corrections, résultats préliminaires

Taille des fluctuations de densité de baryons à une certaine époque

Combinaison des deux contraintes • Contrainte SN: évolution de la géométrie • Oscillations de baryons: Dépendent essentiellement de la matière

Comment faire mieux? • Grands relevés de ciel profond – En optique (LSST) – En radio (SKA) • Recherche de SN lointaines – Optique infrarouge: SNAP

Le rayonnement de fond cosmologique • Ce rayonnement, c’est celui d’un corps chaud (appelé corps noir) à 3000 degrés • Il a lui-même suivi l’expansion de l’espace • Et équivaut aujourd’hui à celui d’un corps plus très chaud (2, 7 K, soit -270°C) • Au moment où il s’est échappé, il était visible. Il a glissé à l’infrarouge puis au micro-onde.

On en fait actuellement la carte de plus en plus précise • Avec des missions spatiales ou des ballons-sonde • Avec une résolution qui s’améliore rapidement Avant 1992 Ecarts de température max. ~0. 2 m. K

Le CMB aujourd’hui/demain • De WMAP à Planck • Avec des mesures de polarisation • Meilleure précision, détection amas (mesure H 0)

Demain Projet Brain • Intrument complet en 2010, mais tests dès 2006 • Objectif: détecter ondes gravitationnelles primordiales grâce à la polarisation • Matrice de 256 bolomètres

Ondes gravitationnelles

Virgo et après

Virgo aujourd’hui Passage d’une onde gravitationnelle => variation de longueur des bras (~10 -21 soit 1 atome pour l’orbite terrestre) à la fréquence de l’onde

Présent/avenir: réseau d’antennes VIRGO LIGO GEO TAMA AIGO

Court et moyen termes • Virgo+ – Suspensions monolithiques – Laser plus puissant (50 -100 W ) – Compensation de la déformation thermique des miroirs – Upgrade du système de contrôle • Advanced Virgo (2013 -) – Augmentation de puissance – Réduction du bruit thermique des miroirs – Nouvelle géométrie de faisceau – Nouveaux matériaux • 3ème génération d’interféromètres (cryogénie)

Le très long terme?

LISA Pas avant 2015

Neutrinos: Antarès et après aller vers le km 3

Principe • Détection des neutrinos qui ont traversé la terre avec les muons montants

Quelle place pour le risque ? • Exercice de prospective frustrant car : ü Basé sur ce que nous savons que nous ne savons pas. ü Uniquement projection de choses connues -> Gagner des ordres de grandeur. • Et ce que nous ne savons pas? üExploration. Par définition, on ne peut prévoir les surprises -> réactivité et ouverture car le temps des pionniers n’est pas encore révolu en astro/cosmo Louis Néel « Je préfère explorer les forêts vierges que cultiver un jardin de curé »

Le travail ne manque pas. Rendez-vous dans 50 ans

Mais dans 50000 ans… Une trace du LAL?

Je savais quelqu’un poserait cette question