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Astrophysique et astroparticule

Maj : 28 juillet 2009


- Qu’est-ce que l’astroparticule ?

- Les grandes thématiques de recherche


Qu’est-ce l’astroparticule ?

L’astroparticule est une nouvelle discipline de la physique qui se situe à la frontière entre la physique des particules d’un côté et l’astrophysique et la cosmologie de l’autre.

Ces deux grands champs d’étude qui étudient notre monde à des échelles totalement différentes se nourrissent mutuellement de leurs découvertes : d’une part, toute découverte effectuée à l’échelle de l’infiniment petit par la physique nucléaire et des particules a des conséquences sur la compréhension de l’Univers ; d’autre part, toute découverte effectuée en cosmologie et en astrophysique concernant l’Univers primordial ou des phénomènes particuliers se produisant dans notre Univers (explosions d’étoiles, trous noirs ...) a des conséquences fondamentales sur les théories de l’infiniment petit.

Avant l’apparition des accélérateurs au début des années cinquante, les rayons cosmiques étaient la principale source d’informations pour les physiciens des particules. Ils ont alors été détrônés par les accélérateurs qui, en raison de la variété de l’intensité et de la nature des faisceaux, ont tenu et continuent à tenir le haut du pavé depuis plusieurs décennies.

Néanmoins, les rayons cosmiques peuvent atteindre des énergies qui seront toujours hors de portée des accélérateurs actuels et futurs. C’est la raison pour laquelle ils font aujourd’hui l’objet d’un nouveau regain d’intérêt. Conséquence, de nouvelles formes d’astronomie apparaissent : les rayons lumineux ne sont pas les seuls éléments émis par les corps célestes ; les rayons cosmiques, les neutrinos et les ondes gravitationnelles permettront certainement de mieux appréhender les phénomènes violents qui ont lieu dans le Cosmos.

Le CC-IN2P3 a pris le parti de mettre ses moyens informatiques à disposition des astrophysiciens, qui occupent aujourd’hui près de 40% de ses ressources. Les principales expériences d’astrophysique et d’astroparticule auxquelles le CC-IN2P3 participe sont détaillées ci-dessous.


Les grandes thématiques de recherche

- L’astronomie des rayons cosmiques :

On distingue deux types d’expériences : celles qui étudient les rayons gamma cosmiques (c’est-à-dire des ondes de même nature que la lumière visible mais beaucoup plus énergétiques) et celles qui étudient les rayons cosmiques d’énergie exceptionnelle.

Les rayons gamma cosmiques font l’objet de nombreuses expériences qui visent à répertorier les phénomènes cosmiques qui engendrent de telles quantités d’énergie.

L'expérience CAT sur le site de Thémis, dans les Pyrénées-Orientales. ©IN2P3
L’expérience CAT sur le site de Thémis, dans les Pyrénées-Orientales. ©IN2P3
Citons notamment l’expérience CAT à Font-Romeu (Pyrénées Orientales), qui a permis d’observer des éruptions spectaculaires provenant de noyaux actifs de galaxie.

D’autres expériences comme Hess en Namibie, ou encore Glast, qui sera embarquée sur un satellite en orbite, ont ensuite pris le relais.

Actuellement, nul n’est capable de donner une explication permettant d’expliquer la création de particules avec une énergie aussi colossale que celle dégagée par les rayons cosmiques d’énergie exceptionnelle.

La collaboration internationale Auger met en place dans la pampa argentine des détecteurs sur une surface de 3000 km² pour tenter de percer cette énigme.

- L’astronomie des neutrinos et leurs propriétés :

Ces particules élusives et de masse encore mal connues peuvent traverser la Terre entière sans interagir avec la matière. C’est en partie pour cette raison que ces particules restent encore assez mystérieuses et ce malgré leur grand nombre dans notre Univers.

L’astronomie des neutrinos devrait enrichir nos connaissances en astrophysique et en cosmologie, notamment en ce qui concerne la nature de la matière noire (une partie de la composition de l’Univers est de nature inconnue). De plus, la détermination de la nature de la matière noire a des implications très importantes sur les modèles actuels comme le Modèle Standard.

Pour tenter de répondre à ces questions, l’expérience Antarès uilise par exemple un détecteur sous-marin plongé au large de Toulon afin d’observer les neutrinos qui viennent du Cosmos après avoir traversé la Terre.

- L’astronomie des ondes gravitationnelles :

Les ondes gravitationnelles sont les porteurs de la force gravitationnelle. Elles ont été prédites par la théorie de la relativité générale d’Einstein mais n’ont jamais été détectées directement.

L’expérience franco-italienne Virgo installée à Pise va tenter de les détecter : elle permettra de mesurer des rapports de distance de l’ordre de 10 puissance -21, ce qui équivaut à mesurer la distance Terre-Soleil avec une précision de l’ordre de la taille d’un atome.

L’expérience Virgo pourra également détecter les ondes gravitationnelles émises dans des phénomènes telles que les Supernovae, les coalescences d’étoiles binaires.

- La constitution de l’Univers :

90% de la matière qui compose l’Univers n’est pas visible. Plusieurs expériences étudient des pistes différentes afin de découvrir sa composition.

D’une part des expériences comme Eros et Agape tentent de mettre en évidence l’existence d’étoiles naines, trop petites pour être lumineuses, mais qui participeraient à cette masse de l’Univers.

Dans une autre optique, l’expérience Edelweiss dans le laboratoire souterrain de Modane, tente de mettre en évidence des particules massives appelées les WIMPS : elles pourraient entrer dans la composition de la matière noire.

Le spectrometre AMS a bord de la navette Discovery. ©IN2P3
Le spectrometre AMS a bord de la navette Discovery. ©IN2P3
Enfin, l’expérience AMS au CERN, a pour but de détecter la présence d’antimatière dans l’espace et doit être installée dans la station spatiale internationale.

- L’évolution de l’Univers :

Différents paramètres cosmologiques conditionnent l’évolution et le destin de notre Univers : sa densité, la constante cosmologique et la constante de Hubble.

Suivant la valeur de sa densité, l’Univers sera soit en expansion infinie soit finira par se contracter à nouveau après sa phase actuelle d’expansion pour redevenir très chaud et dense comme il l’était lors du Big Bang.

La constante cosmologique prend en compte la présence d’une nouvelle forme d’énergie dite énergie du vide. Si elle existe, elle n’est expliquée par aucune théorie actuelle.

Enfin, la constante de Hubble est reliée à la vitesse d’expansion de l’Univers. Son inverse permet de déterminer l’age de l’Univers.

Des expériences comme Supernovae, qui traque les explosions d’étoiles, ou la future expérience Planck qui sera embarquée dans un satellite et étudiera le rayonnement fossile du Big-Bang, permettront d’affiner notre connaissance de ces paramètres fondamentaux.

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