LESIA - Observatoire de Paris

Présentation de la plateforme COSMIC

2023-09-18T07:13:53Z

COSMIC (COmmon Scalable and Modular Infrastructure for real-time Control) est une plateforme de développement en temps réel utilisée dans l'astronomie pour rendre les instruments plus efficaces, moins coûteux et moins compliqués. Elle est conçue pour être facilement entretenue et extensible à long terme.

Cette plateforme repose sur une conception matérielle qui tient compte des dernières avancées en informatique haute performance (HPC) pour rester performante sans devenir obsolète.

La partie logicielle est basée sur une architecture souple et modulaire qui peut être adaptée à différents besoins. Elle intègre des fonctionnalités en temps réel pour garantir des performances précises.

COSMIC est déjà intégré ou choisi comme référence pour plusieurs systèmes d'optique adaptative :

Télescope Keck
MICADO pour l'ELT
MAVIS pour le VLT
SPHERE+ pour le VLT

Pour en savoir plus sur COSMIC

Pôle HRAA (Haute Résolution Angulaire en Astrophysique)

Thibaut Paumard — 2023-08-03T08:26:45Z

Le pôle Haute Résolution Angulaire en Astrophysique est issu du groupe fondé par Pierre Léna en 1984. Sa raison d'être est la conception, la construction et l'exploitation d'instruments pour les télescopes au sol ou spatiaux. Ces instruments permettent de distinguer, dans le domaine optique, les composantes spatiales d'un objet, en s'approchant le plus possible des limites fondamentales imposées par la taille des optiques et la turbulence atmosphérique. Dans ce but, le groupe développe diverses méthodes pour maîtriser la phase de l'onde électromagnétique. Les instruments développés le sont toujours pour servir une science de premier plan dans plusieurs domaines où nos équipes sont devenues expertes.

Objectifs et thématiques du pôle

Le pôle est structuré en cinq équipes propres présentées ci-dessous. Les trois premières sont définies en termes méthodologiques et les deux dernières par des thématiques scientifiques. Il participe également à l'équipe transverse du laboratoire.

Équipes propres :

Optique adaptative : L'équipe d'optique adaptative (OA) développe pour les grands télescopes actuels (VLT, Keck) et futurs (ELT) des systèmes complets d'OA ou des briques de ces systèmes d'OA. Elle maîtrise l'ensemble de la chaîne de développement, partant de la conception de chacun de leurs sous-systèmes jusqu'à l'intégration finale au télescope. Elle développe en amont des travaux de R&D en analyse de front d'onde et en contrôle temps-réel (aussi bien sur la partie algorithmique que technologique). Actuellement, l'équipe est fortement impliquée dans les projets MICADO pour l'ELT, SPHERE+ et MAVIS pour le VLT. Ses travaux de R&D portent sur l'analyseur de front d'onde pyramide, ses mesures et son contrôle, ainsi que sur les calculateurs temps-réel, leurs architectures matérielles et des algorithmes de contrôle basés sur l'intelligence artificielle.
Imagerie à très haute dynamique : L'imagerie à très haute dynamique ou haut-contraste rassemble l'ensemble des techniques qui permettent de détecter et d'étudier des objets de faible magnitude orbitant très près d'objets beaucoup plus brillants. L'application la plus utilisée est la détection de planètes extrasolaires et de disques de poussières autour d'étoiles proches. Les techniques haute-dynamiques développées au LESIA équipent les télescopes au sol (Very Large Telescope) ou dans l'espace (JWST).
Interférométrie optique : L'équipe d'interférométrie optique est spécialisée dans la conception et l'exploitation d'instruments interférométriques. Ces instruments visent à recombiner la lumière de plusieurs télescopes, de façon à synthétiser un télescope de taille supérieure à chacun de ces télescopes pris individuellement. L'objectif est d'avoir une résolution angulaire - la finesse de l'image obtenue - similaire à ce qu'aurait un télescope dont le diamètre serait égal à la distance entre les télescopes de l'interféromètre.
Activité au cœur des galaxies : Cette équipe est principalement dédiée à la recherche portant sur les environnements de noyaux de galaxies, que ce soit notre Voie Lactée ou d'autres galaxies proches comme NGC 1068 en particulier. L'équipe se consacre également à l'étude des superamas stellaires (amas stellaires jeunes contenant de nombreuses étoiles jeunes et massives), ainsi qu'à l'étude des propriétés observables des objets compacts (trous noirs stellaires et supermassifs, étoiles à neutrons, objets compacts alternatifs).
Applications biomédicales : Notre équipe est en charge du transfert de techniques d'imagerie à haute résolution, développées ou optimisées pour l'astronomie, vers le domaine biomédical. Historiquement, nous avons d'abord utilisé l'Optique Adaptative pour permettre aux ophtalmologistes d'améliorer la qualité et la résolution d'images du fond de l'œil in vivo, dans le but de faire avancer la recherche sur les pathologies rétiennes. Nous travaillons depuis quelques années à accroître les performances de certains microscopes utilisés en neurosciences, afin de mieux connaître les maladies neurodégénératives.

Équipe transverse :

Exoplanètes

Projets instrumentaux

Les activités de chaque équipe sont largement structurées par des projets instrumentaux développés pour des observatoires au sol ou spatiaux. Ces projets sont décrits dans les pages de chaque équipe.

On peut citer notamment :

ESO ELT : MICADO
ESO VLT : SPHERE+
GRAVITY+
JWST : MIRI
FIRST
Banc THD

Ces projets s'appuient sur des expertises développées sur le long terme. L'accent est mis en ce moment sur la filière suivante :

COSMIC , une plateforme pour les calculateurs temps réels des instruments.

Acquisition des données

Nos équipes utilisent de nombreux instruments offerts à la communauté, en particulier ceux auxquels nous contribuons. La distribution des données est organisée par les agences gérant les observatoires au sol ou spatiaux dont l'ESO (European Southern Observatory). Pour plus d'information, voir les liens ci-dessous.

Modélisation et théorie

Nos équipes développent des outils de simulation et de modélisation qui sont décrits dans chacune de leurs pages, qu'il s'agisse de modèles d'instruments, de modèles de processus physiques qui perturbent la phase, ou de modèles astrophysiques. On peut citer notamment :

COMPASS (COMputing Platform for Adaptive optics SystemS) : outil de simulation pour l'optique adaptative
Gyoto (General relativitY Orbit Tracer) de l'Observatoire de Paris

Composition et caractéristiques du pôle

En novembre 2022, le pôle comptait :

15 chercheurs et chercheuses (enseignants ou non)
1 chercheur émérite
6 docteurs en contrat postdoctoral
11 étudiants préparant une thèse

En outre, 15 ingénieurs et ingénieures en poste permanent et 5 en poste temporaire ont une large part de leur activité sur les projets du pôle.

Membres du Pôle HRAA

Le code Gyoto (General relativitY Orbit Tracer de l'Observatoire de Paris)

Frederic Vincent — 2023-08-03T08:26:29Z

Le pôle de Haute Résolution Angulaire du LESIA a développé une activité forte concernant l'interprétation de l'environnement proche du trou noir supermassif Sagittarius A* au centre de notre Galaxie. De telles interprétations nécessitent de pouvoir simuler l'évolution de la matière et du rayonnement au voisinage d'un objet compact, dont la géométrie découle des équations de la relativité générale.

Le code Gyoto permet de calculer l'évolution des particules de matière (typiquement des électrons, principaux émetteurs de rayonnement) et des photons dans l'environnement d'un trou noir.

Gyoto permet également de simuler le transfert radiatif, c'est-à-dire l'évolution de l'émission et de l'absorption du rayonnement qui se propage au sein de la matière entourant le trou noir. Ce code permet de générer des images, des courbes de lumière, des spectres, des trajectoires sur le ciel (astrométrie).

En outre, le code Gyoto est capable de calculer l'information de polarisation du signal lumineux. De quoi s'agit-il ? Lorsque nous regardons de la neige en hiver, la lumière du Soleil qu'elle réfléchit parvient polarisée à notre œil. Autrement dit, la vibration de la lumière est orientée dans une direction privilégiée.

Observer cette lumière avec des lunettes polarisées permet de diminuer fortement la luminosité reçue et ainsi d'éviter l'éblouissement. De façon similaire, l'environnement d'un trou noir polarise le rayonnement qui nous arrive en vibrant selon des directions privilégiées. La mesure de cet état de polarisation et sa comparaison aux simulations de Gyoto nous donne des informations précieuses sur l'environnement du trou noir.

Pour en savoir plus sur le code Gyoto

Membres du Pôle HRAA (Haute Résolution Angulaire en Astrophysique)

2023-08-03T08:26:11Z

Chercheurs et chercheuses :

Pierre Baudoz
Anthony Boccaletti
Yann Clénet
Vincent Coudé du Foresto
Raphaël Galicher
Éric Gendron
Damien Gratadour
Elsa Huby
Pierre Kervella
Sylvestre Lacour
Anne-Marie Lagrange
Johan Mazoyer
Thibaut Paumard
Guy Perrin
Frédéric Vincent

Chercheur émérite :

Daniel Rouan

Doctorants :

Karim Abd El Dayem
Nicolas Aimar
Garance Bras
Cyril Cetre
Antoine Chomez
Charles Goulas
Yann Gutierrez
Manon Lallement
Mathilde Mâlin
Niklas Moszczynski
Florian Philippot
Julien Plante
Bartolomeu Pou Mulet
Sophia Stasevic
Keegan Thomson-Paressant
Christian Wilkinson
Amal Zidi

Post-doctorants :

Anton Afanasyev
Kevin Barjot
Anthony Berdeu
Harry-Dean Kenchington-Goldsmith
Flavien Kiefer
Iva Laginja
Miguel Montargès
Vito Squicciarini

Ingénieurs et techniciens et leur quotité au Pôle HRAA

Julien Brulé (100%)
Tristan Buey (20%)
Frédéric Chapron (30%)
Claude Collin (20%)
Roderick Dembet (100%)
Daniel Dupuis (70%)
Lahoucine Gouchou (100%)
Marie Glanc (100%)
Vincent Lapeyrere (50%)
Bertrand Le Ruyet (100%)
Florian Moura Ferreira (100%)
Arnaud Sevin (100%)
Simone Thijs (100%)
Fabrice Vidal (100%)

Projets sol du pôle planétologie

2022-12-05T14:41:51Z

MICADO (ELT)

Spectro-imageur de première lumière qui équipera le futur ELT (ESO). Le pôle planétologie a la responsabilité de la partie scientifique portée sur les objets du Système solaire. Cette position privilégiée permettra d'avoir du temps garanti pour observer et analyser les astéroïdes et les objets transneptuniens, entre autres, qui sont actuellement inaccessibles de par leurs petites dimensions et leur faible éclat.

Observations des comètes

L'équipe comète observe, avec ses collaborateurs français et étrangers, toute comète périodique ou nouvelle, suffisamment brillante et/ou d'intérêt en support à une mission spatiale. Son dégazage est suivi via les observations du radical OH à Nançay (programme clé) et sa composition moléculaire et isotopique via les raies d'émission radio : observations avec les grands observatoires millimétriques à submillimétriques (IRAM-30m, NOEMA, ALMA, SOFIA...) ou infrarouges (IRTF, Keck-2, VLT, JWST).

Près de 25 molécules différentes ont été ainsi identifiées dans les atmosphères cométaires, et plus d'une quarantaine de comètes étudiées. Dans les plus brillantes les rapports isotopiques D/H, 34S/32S, 15N/14N, 13C/12C sont mesurés.

Les observations résolues spatialement (interférométriques, infrarouges...) visent aussi à caractériser les sources distribuées (espèces secondaires) dans l'atmosphère des comètes.

Caractérisation des astéroïdes vestiges directs des planétésimaux (ANR-ORIGINS)

Nous avons obtenu avec l'équipe de planétologie du laboratoire Lagrange-Nice un financement ANR pour le projet ORIGINS « À la recherche des planétésimaux de notre Système solaire » jusqu'à juin 2024. Le projet combine études dynamiques et observations aux télescopes pour identifier les familles très anciennes (> 3 milliards d'années) dans la ceinture principale d'astéroïdes et pour en caractériser la composition.

Le LESIA est responsable de la caractérisation de la composition des astéroïdes vestiges des planétésimaux et membres de familles anciennes via des observations avec différents télescopes au sol (LDT, TNG, Asiago, IRTF) et en utilisant le catalogue spectral GAIA, afin de contraindre le gradient de composition dans le Système solaire interne, information essentielle pour les modèles de formation planétaire.

Observations des atmosphères planétaires

Nous sommes engagés sur des programmes d'observation au sol des atmosphères planétaires à partir notamment des télescopes ALMA, IRAM, NASA/IRTF et VLT.

Observations des atmosphères exoplanétaires

Nous travaillons sur la caractérisation d'atmosphères d'exoplanètes à haute résolution spectrale avec les spectrographes VLT-CRIRES et CHFT-SPIRou. Nous sommes notamment impliqués dans le programme temps garanti (SLS) et dans un programme dédié aux atmosphères (Atmospherix) avec SPIRou.

Ces observations à haute résolution spectrale permettent d'identifier les raies d'absorption moléculaire de l'exoplanète par rapport à la lumière stellaire par décalage Doppler. L'objectif est de pouvoir contraindre la composition chimique, la température et la vitesse des vents.

Cette technique repose aussi sur l'utilisation de modèles atmosphériques (modèle de transfert radiatif et modèle de circulation générale 3D) que nous développons au LESIA. Nous participons également à la caractérisation d'atmosphères d'exoplanètes observées en imagerie directe avec les instruments SPHERE, GRAVITY et SINFONI du VLT.

Missions spatiales du pôle planétologie

2022-12-05T14:38:26Z

Le pôle planétologie est investi dans plusieurs missions phares d'exploration du Système solaire :

Missions en cours de réalisation-exploitation

Mars 2020 (Perseverance, NASA)

Le LESIA a réalisé le spectromètre infrarouge IRS de SUPERCAM de MARS 2020, qui, depuis février 2020 explore le cratère Jezero.

OSIRIS-REX (NASA)

Participation à l'exploitation scientifique des données de la mission de retour d'échantillons de la NASA OSIRIS-REx, notamment des caméras OCAMS et du spectromètre infrarouge OVIRS. La mission, lancée en 2016, a étudié le géocroiseur primitif Bennu entre 2018 et 2021, a récolté des échantillons en octobre 2020 qui seront ramenés sur Terre en 2023. Après l'étude de la cible principale, Bennu, la mission est étendue pour un survol rapproché, en 2029, d'Apophis à l'occasion de sa forte approche de la Terre.

En savoir plus sur la mission OSIRIS-REX sur le site de la NASA

Hayabusa 2 (JAXA)

Participation à l'exploitation scientifique des données de la mission de retour d'échantillons HAYABUSA 2. La mission, lancée en 2014, a étudié le géocroiseur primitif Ryugu entre 2018 et 2020, et récolté des échantillons qui ont été ramenés sur Terre en décembre 2020 et sont analysés dans différents laboratoires. La mission a été aussi étendue avec un survol de l'astéroïde 2001 CC21 prévu en 2026 et un rendez-vous avec l'astéroïde 1998 KY26 en 2031.

En savoir plus sur la mission HAYABUSA 2 sur le site de la JAXA

BepiColombo (ESA-JAXA)

Lancée en 2018, la mission BepiColombo est en route vers la planète Mercure, autour de laquelle elle se mettra en orbite en 2025. Le pôle est co-PI de l'instrument Simbio-Sys, une suite instrumentale issue d'un consortium à maîtrise italienne (PI G. Cremonese de l'INAF-Padoue) incluant un spectromètre imageur (VIHI = Visual and Infrared Hyper-spectral Imager), une caméra stéréographique (STC = Stereo Channel), et une caméra à haute résolution (HRIC = high resolution channel).

Le LESIA a eu la responsabilité de la livraison du plan focal du spectromètre VIHI, qui opère entre 400-2000 nm et fera la cartographie minéralogique complète de Mercure avec une résolution spatiale < 500 m et une résolution spectrale < 10 nm.

En savoir plus sur la mission BepiColombo sur le site du CNES

JWST

Le pôle est impliqué (co-investigateur principal) dans un programme de démonstration scientifique du JWST qui concerne le Système jovien et s'intéresse particulièrement à Jupiter, ses anneaux et ses satellites Io et Ganymède.

Nous sommes, d'autre part, impliqués dans un programme d'observation sur le temps garanti de Titan qui permettra de caractériser la composition chimique et la distribution des nuages et aérosols pendant une saison non couverte par les observations de la sonde Cassini.

Missions futures

MMX (JAXA)

La mission de la JAXA Martian Moon eXploration (MMX) sera lancée en septembre 2024 vers le système martien pour ramener des échantillons de la surface de Phobos, effectuer des observations détaillées de Phobos et de Deimos et surveiller le climat de Mars.

L'objectif principal de la mission est de déchiffrer l'origine des lunes martiennes, et de contraindre les processus de formation planétaire et de de transport des matériaux dans le Système solaire interne. La mission effectuera un voyage aller-retour en cinq ans, avec retour sur Terre des échantillons de Phobos en juillet 2029. La sonde arrivera dans le système de Mars en août 2025.

Parmi les instruments à bord de MMX, le LESIA réalise le spectromètre imageur infrarouge MIRS (MMX InfraRed Spectrometer) qui opérera entre 0,9 et 3,6 µm avec une résolution spectrale de 20nm. Les observations de MIRS seront essentielles pour caractériser la composition du système martien, pour sélectionner les sites candidats pour l'échantillonnage, et pour nous éclairer sur l'origine des satellites de Mars.

En savoir plus sur la mission MMX sur le site de la JAXA

JUICE (ESA)

La mission Jupiter Icy Moons Explorer doit être lancée en août 2023 vers les satellites naturels de Jupiter par une fusée Ariane 5. La sonde spatiale doit étudier en les survolant à plusieurs reprises trois des quatre satellites galiléens de Jupiter - Callisto, Europe et Ganymède - avant de se placer en orbite autour de Ganymède en décembre 2032 pour une étude plus approfondie qui doit s'achever en septembre 2033.

L'objectif central de la mission est de déterminer si des conditions propices à l'émergence à la vie sont présentes dans les océans sub-glaciaires qui semblent exister sur trois des quatre lunes galiléennes. La sonde spatiale doit également faire avancer nos connaissances sur l'atmosphère et la magnétosphère de la planète Jupiter.

En savoir plus sur la mission JUICE sur le site de l'ESA

Ariel (ESA)

La mission ESA-M4 Ariel (lancement prévu en 2029), consistera à caractériser, par spectroscopie de transit, les atmosphères de près de 1000 exoplanètes, allant de la taille de Jupiter jusqu'aux super-Terres, dont la température est supérieure à 400K. Ariel déterminera la composition chimique et la structure atmosphérique et nuageuse des planètes. Pour les planètes les plus brillantes, les observations par courbes de phase donneront accès à la distribution des nuages et à la dynamique atmosphérique.

L'objectif sera d'expliquer la grande diversité des exoplanètes en caractérisant les processus physiques/chimiques qui contrôlent les atmosphères, leur formation et leur évolution. Le LESIA est chargé de la calibration du spectromètre infrarouge AIRS (1.95-7.8 µm), l'instrument principal d'Ariel.

En savoir plus sur la mission Ariel

EnVision (ESA)

Parmi les planètes terrestres du Soleil, Vénus est celle qui ressemble le plus à la Terre par sa taille, sa composition et sa distance au Soleil. Pourtant les deux planètes ont évolué de manière très différente. Vénus est aujourd'hui bien trop chaude pour accueillir de l'eau liquide à sa surface, mais elle a pu avoir un climat plus proche de celui de la Terre pendant des milliards d'années.

Vénus constitue donc un laboratoire naturel pour étudier l'évolution de l'habitabilité - ou son absence - dans un système planétaire. La charge utile scientifique de la mission ESA-M5 EnVision, sélectionnée pour un lancement en 2031, se compose de VenSAR, un radar en bande S à double polarisation fonctionnant également comme radiomètre hyperfréquence ; de trois spectromètres VenSpec-M, VenSpec-U et VenSpec-H conçus pour observer la surface et l'atmosphère de Vénus et leurs couplages ; enfin du Subsurface Radar Sounder (SRS), un radar de sondage à haute fréquence (HF) destiné à sonder le sous-sol.

Ces instruments sont complétés par la cartographie du champ de gravité pour l'étude exhaustive des propriétés de l'intérieur, de la subsurface, de la surface, de la basse atmosphère, des nuages et de la haute atmosphère de Vénus, ainsi que leurs interactions.

Le LESIA fournira la tête optique et les filtres de l'instrument infrarouge VenSpec-M ainsi qu'une contribution au spectromètre VenSpec-U.

En savoir plus sur la mission EnVision sur le site de l'ESA

Dragonfly (NASA)

L'objectif scientifique principal de la mission Dragonfly de la NASA sera d'étudier la composition de la surface et de l'atmosphère de Titan et ainsi de s'intéresser aux conditions de formation des briques chimiques du vivant dans un environnement autre que la Terre. Dragonfly réalisera des mesures de la composition de la surface et de l'atmosphère dans une vingtaine d'endroits de la région équatoriale pendant les 3 années que durera la mission nominale.

Dragonfly se dirigera vers le cratère Selk qui est son objectif final. Ce cratère d'impact a pu contenir de l'eau liquide pendant plusieurs centaines d'années après l'impact qui lui a donné naissance. Ceci présente un intérêt tout particulier en termes de chimie pré-biotique car il a été montré, en laboratoire, que l'immersion de particules chimiques analogues à celles de l'atmosphère de Titan dans de l'eau liquide produit des molécules d'intérêt biologique, comme les acides aminés, en seulement quelques mois.

Dragonfly emportera des caméras, un spectromètre à rayon gamma et neutrons (DraGNS) qui mesurera la composition élémentaire de la surface (en atomes d'azote, d'hydrogène, d'oxygène, …). Il sera également équipé de capteurs, réunis dans l'instrument DraGMet, destinés à mesurer les conditions météorologiques et sismiques.

Un spectromètre de masse couplé à un chromatographe en phase gazeuse sera également à bord. Il s'agit de l'instrument DraMS, raccordé à un système de prélèvement d'échantillons (DrACO) du sol et de l'atmosphère. Le LESIA est impliqué dans l'instrument DraMS.

En savoir plus sur la mission Dragonfly sur le site de la NASA

VERITAS (NASA)

La sonde spatiale VERITAS, sélectionnée dans le cadre du programme Discovery de la NASA pour un lancement en décembre 2027, doit embarquer deux instruments : le radar à synthèse d'ouverture VISAR doit dresser une carte globale de la surface de Vénus avec une résolution de 30 mètres abaissée à 15 mètres pour certaines régions. Le second instrument est VEM (Venus Emissivity Mapper), dont le responsable est le DLR Berlin. VEM déterminera la composition et les propriétés thermiques de la surface dans le proche infrarouge. Le LESIA fournit la tête optique et les filtres de l'instrument VEM.

En savoir plus sur la mission VERITAS sur le site de la NASA

Missions terminées

Rosetta (ESA, 2004-2016)

Lancée en 2004, Rosetta a été la pierre angulaire de l'ESA dédiée aux petits corps. Elle a étudié pendant 2 ans, entre 2014 et 2016 et en continu, le noyau de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko et son activité. La sonde Rosetta était composée d'un orbiteur avec 11 instruments et de l'atterrisseur PHILAE, qui s'est posé avec succès à la surface du noyau le 12 novembre 2014.

Parmi les 11 instruments de l'orbiteur, Le LESIA a développé la voie VIRTIS-H, un spectromètre infrarouge ponctuel à moyenne résolution, et a été impliqué dans toutes les phases de la mission comme dans l'exploitation des données qui ont généré un grand nombre d'articles sur la caractérisation de la composition, morphologie, activité, origine et structure de la comète 67P.

Venus Express (ESA, 2005-2014)

Le LESIA était co-responsable de l'instrument VIRTIS (modèle de rechange de celui de Rosetta). Venus Express a étudié la planète depuis une orbite polaire pendant 8 ans, en contribuant à la connaissance et à la compréhension de son atmosphère (vortex polaires, vents, circulation générale, recombinaison de l'oxygène sur la face nuit) et même de sa surface à travers d'étroites fenêtres transparentes in IR. Elle a mis en évidence un ralentissement séculaire de sa période de rotation par rapport à l'époque de la mission Magellan.

Cassini-Huygens (NASA-ESA, 1997—2017)

Cette mission a exploré pendant 13 ans Saturne et son environnement, notamment le satellite Titan. Plusieurs membres du LESIA étaient Co-Is du spectro-imageur visible et infrarouge VIMS et du spectromètre infrarouge CIRS à bord de Cassini ainsi que de l'imageur de descente DISR et de l'instrument HASI à bord de Huygens.

Les membres du LESIA ont particulièrement été impliqués dans l'étude de la composition de la surface de Titan, ainsi que dans l'étude de la température et de la composition de l'atmosphère de Titan et de Saturne et de leurs évolutions saisonnières.

Pôle planétologie

2022-12-05T14:18:15Z

Le pôle planétologie du LESIA s'intéresse à l'origine des systèmes planétaires, principalement du Système solaire, et à la compréhension du fonctionnement et de l'évolution des objets du Système solaire en étudiant les processus physiques et chimiques qui y sont à l'œuvre.

Sommaire

Objectifs et thématiques


Vue d'artiste de la formation des petits corps autour d'un disque protoplanétaire (Beta Pictoris): Crédits : NASA/FUSE/Lynette Cook

Le pôle est structuré en deux équipes thématiques

Astéroïdes, comètes et objets transneptuniens

Atmosphères et surfaces planétaires.

Plusieurs membres du pôle sont impliqués également dans l'équipe transverse

Exoplanètes et origine des systèmes planétaires.

Les petits corps du Système solaire ont conservé des traces chimiques et minéralogiques de la composition de la nébuleuse proto-planétaire. Ils ont également un intérêt exobiologique car leurs impacts ont pu enrichir la Terre primitive de composés prébiotiques favorisant l'émergence de la vie. Leur étude permet ainsi de contraindre les processus qui ont gouverné la formation et l'évolution du Système solaire. Enfin, la mesure de la composition élémentaire des planètes géantes de notre Système solaire ou des exoplanètes permet de comprendre comment ces objets se sont formés.

L'étude des objets du Système solaire et de son évolution se fait conjointement par la simulation, l'observation, depuis le sol et l'espace, et la modélisation. La simulation numérique permet d'explorer les modèles de formation planétaire autour du Soleil ou des étoiles à partir d'une nébuleuse de gaz et de poussières qui les entoure.


Image en couleur de la comète 67P/CG observée le 30 Août 2015 après son passage au périhélie: Crédit : ESA / Rosetta / MPS for OSIRIS Team (MPS / UPD / LAM / IAA / SSO / INTA / UPM / DASP / IDA) / S. Fornasier


L' astéroïde Bennu observé par la mission OSIRIS-REX (NASA): NASA/Goddard/University of Arizona

L'observation permet de contraindre l'évolution chimique et géologique (différentiation, altération aqueuse) des petits corps du Système solaire, tandis que la modélisation (dynamique, thermique) cherche à reproduire cette évolution. L'étude de la composition chimique des atmosphères et des surfaces planétaires, de leurs variations spatiales et temporelles, permet de contraindre la climatologie, la chimie et la géologie des planètes et de leurs satellites, actuellement et dans le passé.

Projets instrumentaux (sol et spatiaux)

Le LESIA est fortement impliqué dans des missions d'étude des surfaces et atmosphères planétaires et des petits corps, in situ et orbitales, en opération et en préparation. Les études se basent tout d'abord sur une longue tradition du laboratoire en matière de spectroscopie et spectro-imagerie visible et infra-rouge. L'équipe planétologie a ainsi contribué à la fabrication d'instruments à bord de missions spatiales telles que Mars-Express, Venus-Express, Cassini-Huygens ou Rosetta. Récemment, le LESIA a réalisé le spectromètre infrarouge de SuperCam, instrument en opération à bord du rover Perseverance de la NASA depuis le 18 février 2021.


Selfie du rover Perseverance sur le sol martien avec l'hélicoptère Ingenuity: NASA/JPL-Caltech/MSSS

Le LESIA est aussi responsable (Principal Investigator) du spectro-imageur MIRS de la mission japonaise de retour d'échantillons MMX qui sera en orbite autour de Phobos et de Mars à partir de 2025, et partenaire du spectro-imageur infrarouge de la mission BepiColombo qui étudiera la surface de Mercure à partir de 2026.

À plus long terme, le laboratoire est partenaire du spectro-imageur MAJIS et de l'instrument micro-onde SWI de la mission européenne JUICE à destination de Ganymède prévue pour 2030 ; du spectrographe AIRS de la mission ESA Ariel qui va étudier les atmosphères d'exoplanètes prévue pour 2029 ; des spectromètres UV VenSpec-U et infrarouge VenSpec-M de la mission européenne EnVision dont le lancement vers Vénus est prévu fin 2031. Le LESIA est également partenaire du spectromètre de masse couplé à un chromatographe en phase gazeuse du drone Dragonfly de la NASA qui volera sur Titan en 2034.


Selfie de la mission BepiColombo avec sa cible Mercure, survolée lors du fly-by du 1 octobre 2021: ESA/BepiColombo/MTM, CC BY-SA 3.0 IGO

Plus d'informations sur les missions spatiales

Plus d'informations sur les projets sol

Acquisition des données

L'acquisition des données se fait via des observations avec les télescopes sol et espace, et via les missions d'exploration du Système solaire.

Les produits de ces observations, de même que les résultats de modélisations, sont mis en valeur et rendus accessibles à travers les services labellisés ANO5 pilotés dans le pôle planétologie du LESIA : l'Encyclopédie des planètes extrasolaires, APIS (aurores planétaires) et VESPA (multi thématique). Ces services utilisent l'infrastructure de l'Observatoire Virtuel pour faciliter l'accès aux données dérivées, identifier des configurations d'observation particulières, croiser des jeux de données différents, et permettre des traitements de masse sophistiqués. Les mêmes techniques sont d'ailleurs appelées à faciliter la gestion des données des expériences en opération.

Modélisation et théorie

L'interprétation des données passe par la modélisation et la théorie. Pour déterminer la composition chimique, la structure nuageuse et la structure thermique des atmosphères planétaires, nous utilisons des codes de transfert radiatif que nous comparons aux spectres observés à partir de sondes spatiales et de télescopes au sol ou dans l'espace. Des algorithmes d'inversion nous permettent de remonter aux profils verticaux de température et d'abondance des gaz et des aérosols en combinant, si possible, des spectres enregistrés sous différentes géométries d'observation.

Pour comprendre la composition des surfaces des petits corps et des planètes, nous appliquons des modèles de transfert radiatif basés sur la réflectance des minéraux-météorites et/ou sur les constantes optiques de glaces et mélanges, nécessaires pour contraindre la minéralogie et la composition de surface.

Les modèles de transfert radiatif de type Hapke sont aussi appliqués pour modéliser les propriétés de réflectance des corps sans atmosphère, et en déduire les propriétés physiques des surfaces (taille de grain, rugosité, composition, etc) Des codes numériques ont été développés au LESIA pour interpréter les observations cométaires depuis l'infra-rouge jusqu'aux longueurs d'ondes radio, in situ (Rosetta VIRTIS/MIRO) comme distantes (Odin, Herschel, JWST et sol). Ces codes de simulations du rayonnement des atmosphères cométaires couvrent :

Continuum infrarouge à millimétrique des émissions thermiques des poussières ;
Excitation et transfert du rayonnement pour les raies rovibrationelles infrarouges de H2O, CO2, CO... ;
Excitation des niveaux de rotation des molécules dans l'atmosphère des comètes (plus de 30 molécules prises en compte) et transfert du rayonnement pour leur raies millimétriques à submillimétriques ;
Calcul des intensités des raies de OH à 18-cm de longueur d'onde (Nançay/GBT).

Modèles d'atmosphères (exo)planétaires


Image composite Webb NIRCam à partir de deux filtres – F212N (orange) et F335M (cyan) – du système Jupiter: Source : NASA, ESA, CSA, Jupiter ERS Team ; traitement des images par Ricardo Hueso (UPV/EHU) et Judy Schmidt

Le pôle planétologie du LESIA est impliqué dans le développement de modèles 1D et 3D d'atmosphères (exo)planétaires. L'objectif est d'inclure dans ces modèles les processus physiques/chimiques clés qui contrôlent les atmosphères afin d'interpréter les observations. Nous avons développé le modèle 1D Exo-REM , initialement pour interpréter les observations SPHERE d'exoplanètes géantes jeunes. Ce modèle a été étendu aux exoplanètes observées par transit. Nous participons également au développement du modèle 3D Generic Planetary Climate Model , que nous appliquons à l'étude des atmosphères et des climats de Mars, Titan, Pluton, Triton ; des planètes géantes du Système solaire, de la Terre primitive et des exoplanètes telluriques et gazeuses. Enfin, nous développons et utilisons des codes d'inversion des observations atmosphériques afin de mesurer les profils de température, vent et composition chimique dans les atmosphères (exo)planétaires.

Modèles des disques circumstellaires

Dans de nombreux systèmes planétaires, des disques circumstellaires de matériaux qui n'ont pas été utilisés dans la formation des planètes subsistent, telles les ceintures d'astéroïdes ou de Kuiper dans notre Système solaire. L'étude de ces disques de débris est d'une importance capitale car leur évolution et leur structure sont intimement liées à celles des planètes du système, tout en étant souvent plus facilement observables que les planètes elles-mêmes. Le pôle planétologie a, depuis deux décennies, développé une expertise de premier plan pour la modélisation numérique de ces disques. Cette expertise s'articule autour de 3 grands axes :

L'étude collisionnelle des disques de débris, avec un code statistique qui a permis de comprendre le lien en poussière observée et le réservoir total de matière solide ;
Le couplage entre évolution dynamique et collisionnelle, avec les codes DyCoSS et LIDT-DD, qui ont permis l'étude fine des interactions entre disques et planètes ou compagnons stellaires ;
L'étude de la composante gazeuse de ces disques avec, à la fois, des modèles explorant le taux de production de gaz et son observabilité (avec ALMA par exemple), mais aussi des modèles qui suivent l'évolution thermodynamique, physico-chimique et hydrodynamique de ce gaz. N'oublions pas les études les plus récentes qui permettent de comprendre l'accrétion de ce gaz par les planètes déjà formées et ses éventuelles conséquences sur les atmosphères de celles-ci.

Composition et caractéristiques du pôle

Le pôle planétologie est coordonné par Sonia Fornasier et Nicolas Biver. Au 1er novembre 2022, il est composé de :

8 chercheurs permanents
2 chercheurs émérites
15 enseignants chercheurs
9 doctorants
6 post-doctorants
1 visiteur de longue durée

Membres permanents du pôle planétologie

Pôle Héliosphère et plasmas astrophysiques (HPA)

2022-02-22T08:58:16Z

Ce nouveau pôle scientifique du LESIA, créé en 2021, regroupe les anciens pôles physique des plasmas et physique solaire. Il a pour objectif l'étude des mécanismes physiques dans les plasmas naturels en s'appuyant sur la combinaison des études in-situ et à distance des plasmas héliosphériques et hors de l'héliosphère.

Sommaire

Objectifs et thématiques

Le pôle HPA a pour objectif l'étude des plasmas naturels qui composent 99% de l'Univers. Il analyse les mécanismes physiques en jeu en explorant prioritairement l'héliosphère qui renferme les seuls plasmas naturels accessibles à l'examen in situ par des sondes spatiales. Sont concernées : l'atmosphère du Soleil, de la photosphère à la couronne qui se prolonge dans le vent solaire ; les enveloppes de plasmas terrestre et planétaires (ionosphères et magnétosphères de la Terre, de Mercure et des planètes géantes) qui interagissent avec le vent solaire.


Image composite de l'atmosphère solaire éruptive: Observations par l'instrument AIA du satellite SDO de la NASA dans 3 longueurs d'ondes en UV (175,193, 211 Å).
© SDO/AIA (NASA)

Il étudie également les plasmas astrophysiques hors de l'héliosphère : les environnements stellaires, les exoplanètes, magnétisées ou non, et leurs interactions plasma. Enfin, les poussières chargées électriquement et qui sont omniprésentes.


Aurores des planètes géantes: Image composite.
Crédits : L. Lamy, R. Prangé, LESIA/Observatoire de Paris, STSci, ESA/NASA Hubble Space Telescope

Les thématiques du pôle Héliosphère et Plasmas Astrophysiques sont donc interdisciplinaires et reposent sur la combinaison des observations in situ et à distance des plasmas héliosphériques. Elles se basent sur la production et l'exploitation de données multi-messagers, sol et espace, l'élucidation des processus physiques que ces données révèlent grâce à la modélisation théorique et les simulations numériques et la transposition de cette compréhension à l'étude des plasmas plus lointains.


Images animées « goniopolarimétriques » des émissions radio de Saturne vues pas la sonde Cassini: La "goniopolarimétrie" consiste à combiner des mesures radio pour déterminer simultanément la direction d'arrivée des ondes et leur polarisation. On peut au final obtenir une image dans le plan du ciel (à gauche dans la vidéo), et une image projetée à la surface de la planète le long des lignes de champ magnétiques (à droite). La polarisation et la fréquence des ondes sont codées en couleurs. Le film couvre 24h d'observation par Cassini, à 5 min. par image. A certains instants, les sources d'émission se concentrent le long d'une ou deux lignes de champ magnétique. La polarisation change quand Cassini passe de l'hémisphère sud à l'hémisphère nord de Saturne.
© B. Cecconi

Le pôle est actif dans divers domaines : le développement d'instruments pour le spatial et pour le sol, l'exploitation scientifique des données de ces instruments, la modélisation, le traitement, l'archivage et la distribution de ces données.

Composition du pôle

Le pôle est actuellement coordonné par Léa Griton et Arnaud Zaslavsky.

Au 1er janvier 2024, il est composé de :

14 chercheurs permanents
6 chercheurs émérites
13 doctorants
5 post-doctorants

Deux équipes

Héliophysique et exploitation de la mission Solar Orbiter
Plasmas planétaires et exoplanétaires

Deux thématiques transversales

Météorologie de l'espace
Plasmas astrophysiques

Le pôle HPA assure également des enseignements et la coordination de certains services d'observation (ANO ou actions nationales d'observation) de l'INSU :

ANO2 Solar Orbiter : responsable partie RPW/STIX.
ANO2 BepiColombo SORBET/PWI et JUICE/RPWI : responsable.
ANO2 JUICE RPWI : responsable.
ANO2 Cluster/STAFF : partenaire.
ANO2 MMS : partenaire.
ANO2/3 SKATE : partenaire LOFAR & SKA, responsable NenuFAR.
ANO3 Station de Radioastronomie de Nançay : responsable NDA.
ANO5 APIS : responsable.
ANO5 MASER : responsable.
ANO6/5 3SOLEIL : coordination et responsabilité de plusieurs services.

Domaine spatial et instruments embarqués

Pour les observations du Soleil et de l'héliosphère interne, l'accent est mis sur l'exploitation des données des missions structurantes :

Solar Orbiter de l'ESA/NASA (les chercheurs du pôle sont PI et Co-I sur les instruments RPW, STIX, EPD),

Parker Solar Probe (Co-I).

BepiColombo/MMO fournira aussi des observations de l'héliosphère interne.

Le pôle continue par ailleurs à exploiter les missions STEREO (PI Waves), Wind (PI Waves) et Cluster sur l'orbite terrestre. La combinaison de ces missions constitue un réseau de sentinelles sans précédent pour l'étude du Soleil et de l'héliosphère interne.


Émission radio solaire de type III avec quatre sondes différentes: Spectre dynamique des flux radio observés par quatre sondes (de haut en bas : Solar Orbiter, Parker Solar Probe, Stereo-A et WIND) pour l'événement du 11 juillet 2020 vers 2h30.
© S. Musset et M. Maksimovic / LESIA / Observatoire de Paris-PSL

Pour les observations des magnétosphères planétaires, les travaux porteront sur l'exploitation des données de deux missions :

La mission NASA Juno (Co-I) et la mission ESA Juice (co-PI RPWI) pour l'étude de la magnétosphère de Jupiter et de ses lunes,

La mission ESA/JAXA BepiColombo/MMO (co-PI PWI/SORBET) pour la magnétosphère de Mercure.

Le pôle est également positionné sur les futurs projets ESA de missions d'étude du vent solaire et de la magnétosphère terrestre et sur des projets NASA-ESA de mission vers les planètes géantes glacées ainsi que de sonde interstellaire et d'exploration multi-satellite d'une comète.

Deux projets de nanosatellites embarquant un nouveau récepteur radio numérique développé au LESIA avec le soutien du CNES sont également portés par des chercheurs du pôle :

CIRCUS (Characterization of the Ionosphere with a Radio receiver on a Cube Sat) qui est destiné à l'exploration de l'ionosphère terrestre,

NOIRE (Nano satellites pour un Observatoire Interférométrique Radio dans l'Espace) qui est un essaim de nanosats dont l'objectif est de faire de l'interférométrie radio très basse fréquence dans l'espace.

Observations au sol

Les instruments au sol fournissent un complément essentiel à ces données spatiales, et l'accès aux observations des plasmas astrophysiques.

Le pôle assure la responsabilité scientifique des instruments dédiés aux plasmas héliosphériques de la station de radioastronomie de Nançay : le Radiohéliographe (NRH) et le spectrographe ORFEES pour les observations solaires ; le Réseau Décamétrique (NDA) pour la spectropolarimétrie basse fréquence du Soleil et de Jupiter.

Les chercheurs du pôle sont également très impliqués dans la conception et la réalisation des radiotélescopes de nouvelle génération : LOFAR et sa station française à Nançay, et le radiotélescope basses fréquences géant NenuFAR (PI) qui entre en opération. Ces radiotélescopes sont tous deux éclaireurs du projet de radioastronomie mondial SKA (Square Kilometre Array), dans lequel le pôle s'impliquera à long terme pour les observations solaires, certaines observations planétaires, et la recherche de signaux exoplanétaires.

Dans le domaine optique, le pôle est impliqué dans les instruments de surveillance quotidienne du Soleil à Meudon. Au nombre de ceux-ci, le spectrohéliographe et son catalogue centenaire. Il est également impliqué dans la préparation du projet METEOSPACE et l'exploitation scientifique du télescope THEMIS.

Le pôle a en outre un rôle clé dans l'exploitation des moniteurs à neutrons des Iles Kerguelen et de Terre Adélie (rayonnement cosmique galactique et particules solaires de haute énergie) et leur valorisation dans le cadre d'un service de météorologie de l'espace pour l'aviation civile (projet SIEVERT). Il a également la responsabilité d'une antenne VLF installée à Meudon qui détecte les perturbations de l'ionosphère terrestre induites par les éruptions solaires. L'un des objectifs est de réaliser un système d'alerte en temps réel pour la météorologie de l'espace à destination de l'Aviation civile, de l'Armée de l'air et des services internationaux.

Modélisation

Complémentaires des observations, les simulations numériques des plasmas sont cruciales pour leur étude, que ce soit dans l'atmosphère solaire, le milieu interplanétaire ou les magnétosphères planétaires. Le pôle utilise des codes de type fluide (fondés sur les équations de la magnétohydrodynamique) bien adaptés aux simulations des grandes structures comme les éjections coronales de masse et les magnétosphères planétaires ou exoplanétaires.


Simulation MHD (magnéto-hydrodynamique) du champ magnétique d'Uranus à l'équinoxe: L'axe magnétique de la planète est orienté perpendiculairement à la direction du Soleil (ce qui arrive une fois par rotation). La queue magnétique prend la forme d'une double hélice. Les couleurs représentent la polarité des lignes de champ magnétique.
© L. Griton et F. Pantellini / LESIA / Observatoire de Paris-PSL

Le pôle utilise aussi des codes hybrides ou cinétiques pour l'étude des phénomènes plasmas aux petites échelles.

Il a également développé des codes de modélisation des émissions radio planétaires et exoplanétaires ; de propagation des ondes (tracé de rayons avec polarisation), d'inversion de données spectropolarimétriques (pour la mesure des vecteurs d'ondes et des champs magnétiques vectoriels), et de mesures du bruit quasi-thermique (pour la détermination des paramètres du plasma).

Archivage et distribution des données

Le pôle participe aux activités du Centre de Données de la Physique des Plasmas (CDPP), contribue au développement de l'Observatoire Virtuel à l'Observatoire de Paris, développe de nouveaux services (Nançay-Data Center, NenuFAR-Data Center) et agit pour la promotion de la science ouverte et du partage des données .


: Crédits : L. Lamy et S. Cnudde, LESIA / Observatoire de Paris-PSL

Pour en savoir plus

Ressources sur le site du LESIA

La mission Solar Orbiter
- L'instrument RPW sur Solar Orbiter
- L'instrument STIX sur Solar Orbiter

L'instrument FIELDS sur Parker Solar Probe

L'instrument SORBET sur BepiColombo/MMO

L'instrument S/WAVES sur STEREO

L'instrument WAVES sur WIND

La mission JUICE

La radio goniopolarimétrie

La spectroscopie du bruit quasi-thermique

CERCLe : Cycle, Eruptions et Rayonnement Cosmique au LESIA

Autres liens

La station de radioastronomie de Nançay (liste des instruments de la station)

MASER (Measuring Analyzing & Simulating Emissions in Radio frequencies) (in english)

APIS (Auroral Planetary Imaging and Spectroscopy)

Observations systématiques du Soleil et du rayonnement cosmique
- BASS2000 - Base de données des observations systématiques du Soleil

Secchirh - Radio monitoring (in english)

Le CDPP (Centre français de Données sur la Physique des Plasmas spatiaux)

PADC (Paris Astronomical Data Centre) (in english)

Mission JUNO (in english)

SKA France

SKA telescope (in english)

NMDB - the Neutron Monitor Database (in english)

Projet SIEVERT (in english)

THEMIS Solar Telescope (in english)

Les SNO (Service d'observation de l'INSU)

Base de données des Services nationaux d'observation AA de l'INSU

Pôles scientifiques

2014-07-21T15:10:17Z

Les activités de recherche scientifique du laboratoire sont menées au sein des pôles scientifiques du laboratoire. Chaque chercheur du laboratoire est ainsi rattaché à l'un de ces pôles. Les ingénieurs et techniciens du pôle technique peuvent aussi être rattachés en appartenance secondaire à l'un de ces pôles.
Une présentation des pôles scientifiques est donnée ci-dessous.

Sommaire

Le pôle Étoile

Le pôle Étoile est composé de deux équipes thématiques : SEISM (Sismologie pour l'Etude des Intérieurs Stellaires et leur Modélisation) et MagMaS (Magnetism & Massive Stars).

L'équipe SEISM a pour objectif principal d'étudier et d'améliorer la description physique des intérieurs stellaires. Elle utilise la sismologie et la modélisation stellaire. L'équipe SEISM joue un rôle moteur dans plusieurs projets d'observation sismique de haute précision, dans l'espace (CoRoT, PLATO) comme au sol (Stephi). Elle a développé en parallèle une expertise en analyse de données et travaux d'interprétation théorique allant des dévelopements analytiques aux simulations numériques

L'équipe MagMaS a deux objectifs principaux :

l'étude des champs magnétiques stellaires et des magnétosphères en particulier par la spectropolarimétrie et les études UV et X.
l'étude de la physique des étoiles massives via plusieurs techniques. En particulier MagMas utilise l'astérosismologie, la spectroscopie multi-longueur d'onde, la spectropolarimétrie, la photométrie, ainsi que la modélisation. L'équipe MagMas est fortement impliquée dans le projet international MiMeS (Magnetism in Massive Stars) qui étudie le magnétisme des étoiles massives via trois grands programmes d'observations au CFHT, au TBL et à l'ESO.

Le pôle Haute Résolution Angulaire en Astrophysique (HRAA)

Le pôle HRAA regroupe six équipes impliquées dans la recherche et le développement des instruments optiques à haute résolution angulaire pour l'astronomie aussi bien au sol que dans l'espace et dans les principaux programmes astrophysiques bénéficiant de ces techniques de pointe. Le pôle est au cœur de la définition et la construction de plusieurs instruments pour le VLT, le VLTI et le JWST. Il participe aussi aux études pour l'instrumentation du futur E-ELT et pour de futurs grands interféromètres.

Les thématiques en recherche instrumentale portent sur :

l'optique adaptative, l'analyse de front d'onde, les étoiles lasers, la commande et le contrôle temps réel, et la restauration des images corrigées par optique adaptative,
l‘imagerie à très haute dynamique, la coronographie, l'imagerie différentielle et la suppression active des tavelures,
l'interférométrie multi-télescope, le filtrage spatial et le transport par fibre optique, l'interférométrie annulante, la réduction des données et la synthèse d'images en interférométrie, le cophasage des interféromètres et le masquage de pupille.

Ces thématiques sont développées afin de servir les programmes astrophysiques suivants :

la détection et la caractérisation des planètes extrasolaires et des disques protoplanétaires et de débris,
l'étude de la structure et de l'atmosphère des étoiles, ainsi que leurs environnements proches,
la mesure de paramètres fondamentaux des étoiles,
l'imagerie et l'analyse du coeur des galaxies comme le centre galactique et les AGNs proches.

Le pôle est aussi porteur d'une action de valorisation dans le domaine des applications biomédicales comme l'imagerie à haute résolution spatiale de la rétine humaine in vivo en collaboration avec des ophtalmologistes.

Le pôle Héliosphère et Plasmas Astrophysiques (HPA)

Les thématiques de recherche du pôle HPA concernent :

1. L'étude des mécanismes physiques dans les plasmas naturels et reposent sur la combinaison des études in-situ et à distance des plasmas héliosphériques. L'héliosphère renferme en effet les seuls plasmas naturels accessibles à l'étude in-situ, par des sondes spatiales. Ces plasmas sont ceux de l'atmosphère solaire, du vent solaire, du milieu interplanétaire et des magnétosphères et ionosphères terrestre et planétaires, cométaires et « poussiéreux ».

2. L'étude des plasmas astrophysiques hors de l'héliosphère par l'étude de leurs émissions radio entre 10 et 250 MHz. Ceci concerne les plasmas des environnements stellaires et des exoplanètes magnétisées ou non. La compréhension des mécanismes physiques à l'œuvre dans l'héliosphère est cruciale pour leur transposition aux objets astrophysiques lointains.

Le pôle HPA est composé de deux équipes :

Héliophysique et exploitation de la mission Solar Orbiter
Plasmas planétaires & exoplanétaires

et deux thématiques transverses :

Météorologie de l'Espace
Plasmas Astrophysiques

Le pôle Planétologie

Présentation détaillée du pôle planétologie

Pratiquement tous les objets du système solaire sont étudiés au LESIA. Les thématiques liés à l'environnement ionisé sont décrites dans le pôle plasma, et ne seront abordés ici que l'étude des atmosphères neutres et des surfaces des différents d'objets.

Les objectifs scientifiques, liés aux développements récents observés en planétologie concernent principalement :

La recherche des origines : contraindre les modèles d'origine du système solaire à partir des observations de paramètres clés (mesure de la composition chimique élémentaire et isotopique des atmosphères planétaires, cométaires et des surfaces des petits corps ; détermination des familles de petits corps à partir de leur nature physique) ; développer des modèles numériques de formation planétaire dans des disques circumstellaires ;
La planétologie comparée : étudier les processus physiques à l'œuvre dans les planètes, comètes, astéroïdes ou satellites, pour en retracer l'évolution.

Les objets étudiés vont de Mercure à Pluton en passant par les astéroïdes, les Objets transneptuniens, et les comètes. Les recherches s'appuient sur des données spatiales (Mars Express, Venus Express, Cassini-Huyghens, Rosetta, SMART-1, JUNO, Herschel) et sur des données télescopiques (VLT, IRAM, radiotélescope de Nançay et bien d'autres).

Le pôle Étoile

2011-05-23T09:16:56Z

Le pôle Étoile du LESIA s'intéresse aux étoiles, et plus particulièrement à la compréhension de leur structure et de leur évolution en étudiant les processus physiques qui y sont à l'œuvre. L'astérosismologie est utilisée pour détailler et étudier la physique des intérieurs stellaires, avec des observations et des développements théoriques pour appuyer une modélisation précise. La spectropolarimétrie est développée pour déterminer les champs magnétiques stellaires.

Objectifs et thématiques du pôle

Le pôle est composé de deux équipes thématiques : SEISM (Sismologie pour l'Étude des Intérieurs Stellaires et leur Modélisation), et MagMaS (Magnetism & Massive Stars).

L'équipe SEISM a pour objectif principal d'étudier la physique des intérieurs stellaires et d'en améliorer la description physique dans les modèles et codes stellaires.


Diagramme sismique des étoiles de faible masse évoluées: Evolution conjointe des propriétés de l'enveloppe stellaire, dont la densité est directement reliée à la grande séparation en fréquence (en abscisse), et du cœur radiatif sondé par la période (en ordonnée). Les différents stades évolutifs sont : (S) sous-géantes, (R) géantes rouges, (f,C,2,p2) étoiles de la branche horizontale brûlant l'hélium de leur cœur, (A) étoile de la branche asymptotique ayant épuisé l'hélium du cœur. Crédit : Mosser et al. 2014

L'équipe MagMas étudie les champs magnétiques stellaires et s'intéresse aux étoiles massives.

Projets instrumentaux : sol et spatiaux

Une partie importante du travail du pôle Étoile est consacrée à des missions spatiales ou à des grands programmes d'observations au sol. L'obtention de données pour la sismologie requiert, au sol comme dans l'espace, des projets d'envergure internationale.

Après avoir développé comme PI le projet CoRoT (COnvection, ROtation et Transits planétaires) porté par le CNES, l'équipe SEISM joue un rôle moteur dans le projet spatial PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars) de l'ESA qui devrait être lancé en 2026. Il en va de même pour la caractérisation des champs magnétiques stellaires avec les projets MiMeS (Magnetism in Massive Stars) et BinaMIcS (Binarity and Magnetic Interaction in various classes of Stars) dans lequel l'équipe MagMaS a une forte implication.

L'équipe SEISM coordonne également la contribution française au projet HAYDN, sélectionné en phase 0 pour la mission de classe moyenne M7 du programme CosmicVision de l'ESA. HAYDN étudiera l'intérieur des étoiles, la formation des amas stellaires et l'histoire de la Voie Lactée. La sélection en phase A interviendra fin 2023 pour un éventuel lancement en 2037.

Le LESIA participe à ces projets en apportant ses compétences en physique stellaire et astérosismologie ou encore pour la conception du logiciel de bord, de l'électronique, l'analyse thermique, ainsi que le segment sol.

Mode d'oscillation stellaire

L'astérosismologie étudie les oscillations des étoiles, qui génèrent de petites variations d'amplitude des courbes de lumière qui sont analysées dans l'espace de Fourier.

Crédits : ESA

Acquisition des données

L'équipe SEISM est fortement impliquée dans la préparation de la mission PLATO qui a été sélectionnée en 2014 par le Comité du programme scientifique de l'ESA dans le cadre de son programme Cosmic Vision. Le lancement est prévu pour 2026.

Ce télescope spatial permettra de découvrir et de caractériser des systèmes planétaires comparables au Système solaire. Le responsable de la définition de l'ensemble des algorithmes de traitements sol et bord, Reza Samadi, et la responsable du groupe de physique stellaire en charge de spécifier la caractérisation des étoiles de PLATO, Marie-Jo Goupil font aussi partie de l'équipe SEISM. Cette mission, tout comme CoRoT, cherchera à détecter des planètes extrasolaires.

Simultanément et au moyen de la sismologie, elle aura aussi pour objectif d'étudier et de caractériser les étoiles hôtes. PLATO est un projet européen ambitieux faisant intervenir une grande partie de la communauté stellaire européenne.

Vue d'artiste de PLATO

PLATO et ses 26 caméras.

Crédits : ESA

La co-PI du projet international MiMeS, Coralie Neiner, est membre de l'équipe MagMaS. Ce projet se situe à l'interface des 2 thématiques de MagMas, puisqu'il s'agit d'étudier le magnétisme des étoiles massives via 3 grands programmes d'observation au CFHT (Canada-France-Hawaii Telescope), au TBL (Télescope Bernard Lyot au Pic du Midi) et à l'ESO.

De même, Coralie Neiner est co-PI du projet international BinaMIcS et la PI, Evelyne Alecian, est chercheuse affiliée au pôle Étoile. Ce projet étudie le champ magnétique des étoiles binaires spectroscopiques via deux grands programmes d'observations spectropolarimétriques [1] au CFHT et au TBL. De plus, Coralie Neiner est la PI du relevé spectropolarimétrique des cibles de la constellation de nano-satellites BRITE (BRIght Target Explorer). Ce programme mesure le champ magnétique des 600 étoiles du ciel jusqu'à la magnitude [2] V=4 avec les 3 spectropolarimètres haute-résolution disponibles au monde : Narval au TBL, ESPaDOnS au CFHT et HarpsPol à l'ESO. Ces cibles sont parallèlement étudiées en sismologie par la constellation BRITE.

Les projets MiMeS et BinaMIcS se prolongent aujourd'hui dans la collaboration internationale MOBSTER (Magnetic OB[A] Stars with TESS : probing their Evolutionary and Rotational properties), dont l'objectif est l'étude du magnétisme des étoiles massives, à la fois en spectropolarimétrie et en photométrie, grâce au satellite TESS. Enfin, l'équipe MagMaS mène deux autres projets : Arago UVIMag, une mission spatiale de spectropolarimétrie UV et visible pour l'étude dynamique 3D des étoiles et des planètes et le développement de l'instrument POLLUX. Il s'agit d'un spectropolarimètre à très haute résolution fonctionnant dans le domaine UV, pour la grande mission de la NASA Habitable Worlds Observatory (HWO, précédemment nommée LUVOIR), dont le lancement est prévu en 2042. La PI de ces projets spatiaux est Coralie Neiner.

Une forte interaction existe entre les deux équipes du pôle Étoile. Elle s'exprime au travers de méthodes comme la sismologie, mise en œuvre par le projet CoRoT, précurseur dans ce domaine, puis le projet Kepler de la NASA et le projet PLATO de l'ESA.

De plus, l'influence du champ magnétique sur la structure interne des étoiles est importante. Elle doit être prise en compte, en particulier dans la modélisation des processus de transport. En retour, une modélisation réaliste de la structure interne et l'évolution des étoiles validée sismiquement est indispensable à l'interprétation des données spectroscopiques et spectropolarimétriques.

Enfin, une participation du pôle Étoile à l'équipe transverse Exoplanètes est naturelle au travers de l'apport de la sismologie à la caractérisation des propriétés fondamentales (masse, âge...) des étoiles qui abritent des systèmes d'exoplanètes.

Modélisation et théorie

Simulation 2D des oscillations d'un modèle d'étoile de type gamma Dor

Simulation 2D des oscillations d'un modèle d'étoile gamma Doradus, représentant la carte de la perturbation en pression dans un plan méridien, d'un mode issu du couplage entre un mode inertiel pur piégé dans le cœur convectif et un mode gravito-inertiel établi dans l'enveloppe principalement radiative.

Crédits : Ouazzani et al. 2020

L'expertise de l'équipe SEISM se développe en physique stellaire. Plusieurs travaux sont mis en œuvre en parallèle dans l'équipe :

Développements théoriques sur la turbulence stellaire, la rotation des étoiles au moyen de développements analytiques, de simulations numériques ;

Développement de codes numériques : les développements théoriques sur la physique des intérieurs stellaires sont implémentés dans différents codes numériques ;

Astérosismologie : les développements et améliorations de la description physique des étoiles doivent être testés par confrontation avec les observations. Les tests les plus rigoureux s'obtiennent au moyen de la sismologie. L'équipe se consacre donc aux développements de la théorie des oscillations, des diagnostics sismiques et à l'analyse des données sismiques fournies actuellement par les expériences spatiales CoRoT et Kepler.

L'équipe MagMaS poursuit deux objectifs principaux :

L'étude des champs magnétiques stellaires et des magnétosphères, en particulier par la spectropolarimétrie et les observations UV et X ;

L'étude de la physique des étoiles massives, c'est-à-dire de leurs rotation, pulsations, champ magnétique, structure interne et environnement circumstellaire via plusieurs techniques. En particulier, MagMas utilise l'astérosismologie, la spectroscopie multi-longueur d'onde, la spectropolarimétrie, la photométrie, ainsi que la modélisation.

Composition et caractéristiques du pôle

Le pôle Étoile comprend 13 chercheurs permanents : 3 chercheurs CNRS, 7 enseignants-chercheurs CNAP (Conseil National des Astronomes et Physiciens), 3 enseignants-chercheurs CNU (Conseil National des Universités), 5 étudiants en thèse, 3 post-docs et 4 chercheurs associés :

Caroline Barban, maîtresse de conférence, OP-PSL
Kévin Belkacem, chargé de recherche, CNRS
Claude Catala, directeur de recherche, CNRS
Marie Jo Goupil, astronome, OP
Yveline Lebreton, astronome, OP
Éric Michel, astronome, OP
Richard Monier, professeur, SU
Benoît Mosser, professeur, OP-PSL
Coralie Neiner, directrice de recherche, CNRS
Rhita-Maria Ouazzani, astronome, OP
Jordan Philidet*, chargé de recherche, CNRS
Daniel Reese, astronome, OP
Réza Samadi, astronome, OP
Didier Tiphène, astronome, OP

*Arrivée en octobre 2023

SEISM : Sismologie pour l'Étude des Intérieurs Stellaires et leur Modélisation

La sismologie stellaire est une thématique qui connaît actuellement un essor très important grâce aux observations des satellites CoRoT et Kepler. L'équipe SEISM du LESIA est pionnière dans le domaine et possède une expertise qui va de l'acquisition et l'analyse de données aux études théoriques et numériques.

La sismologie stellaire a connu un essor très important grâce aux observations des satellites CoRoT et Kepler. L'équipe SEISM du LESIA est pionnière dans le domaine et possède une expertise qui va de l'acquisition et l'analyse de données aux études théoriques et numériques.

Liste des docteurs récents et leurs sujets de thèse

2022 Pierre Houdayer, "Détermination des masses sismiques des étoiles de type F.G.K : exploitation de données Kepler et Tess et préparation scientifique de la mission Plato, mission M.S de l'ESA", sous la direction de Marie-jose Goupil et de Daniel Reese.

2022 Guillaume Dréau , "Étude sismique des géantes rouges sur la branche asymptotique", sous la direction de Benoît Mosser et de Yveline Lebreton.

2021 Jordan Philidet, "Étude du couplage entre convection turbulente et oscillations de type solaire", sous la direction de Marie-Jo Goupil et de Kevin Belkacem.

2021 Maëlle Le Gal, "Spectropolarimètres spatiaux haute résolution pour un grand domaine ultra-violet : conceptions et tests", sous la direction de Coralie Neiner et de Martin Pertenais.

2020 Kévin Bouchaud, "Évolution stellaire en rotation rapide. Apports de l'interférométrie et de l'astérosismologie", sous la direction de Armando Domiciano de Souza et de Daniel Reese.

[1] La spectropolarimétrie mesure l'information spectrale d'un spectre, couplée avec celle de la polarisation de la lumière. En astronomie, elle sert à déterminer l'existence ou la force d'un champ magnétique stellaire.

[2] La magnitude d'une étoile correspond à son éclat. Exprimée en échelle logarithmique, elle est d'autant plus grande que l'éclat de l'objet est faible. Inférieure à 6 pour les étoiles visibles à l'œil nu, elle monte jusque vers 15 pour les étoiles étudiées sismiquement.