Présentation générale de l’IRAP.
L’Institut de recherche en astrophysique et planétologie (IRAP) du CNRS et de l’université Toulouse III Paul Sabatier est un des plus grands laboratoires français en astrophysique et planétologie. Créé au 1er janvier 2011, l’IRAP résulte du rassemblement du Laboratoire d’astrophysique de Toulouse – Tarbes (LATT), du Centre d’étude spatiale des rayonnements (CESR), d’une partie du Laboratoire de recherche sur la dynamique terrestre et planétaire (DTP) et de quelques chercheurs et enseignants-chercheurs du Laboratoire des mécanismes et transferts en géologie (LMTG).
Les objectifs scientifiques des 280 personnes qui y travaillent (dont 180 permanents) sont la recherche de réponses aux grandes questions actuelles sur l’Univers et sur les objets qui le constituent. La Terre en tant que planète, son environnement spatial ionisé, le Soleil et les planètes, les étoiles et leurs systèmes planétaires, le milieu interstellaire, les trous noirs et les étoiles à neutron, les galaxies, les tout premiers astres de l’Univers et le Big Bang primordial sont étudiés à travers 6 groupes thématiques :
- Galaxies, Astrophysique des Hautes Énergies et Cosmologie (GAHEC) (Responsable : Natalie Webb)
- Planètes, Environnement et Plasmas Spatiaux (PEPS) (Responsable : Benoit Lavraud)
- Dynamique des Intérieurs Planétaires (DIP) (Responsable: Ludovic Margerin)
- Milieu Interstellaire, Cycle de la Matière, AstroChimie (MICMAC) (Responsable : Karine Demyk)
- Physique du Soleil, des Étoiles et des Exoplanètes (PS2E) (Responsable : Pascal Petit)
- Signal-Images en Sciences de l’Univers (SISU) (Responsable : Yannick Deville)
- Galaxies, Astrophysique des Hautes Énergies et Cosmologie (GAHEC) (Responsable : Natalie Webb)
Outre ses objectifs de recherche fondamentale, l’IRAP est également tourné vers l’innovation instrumentale pour les observations au sol, dans l’espace et les missions d’exploration du système solaire. La réalisation d’instruments est rendue possible par les plateformes Service d’instrumentation spatiale (SISpace) et Service d’instrumentation sol (SISol). SISpace comprend 300 m2 de salles blanches techniques et d’équipements de haut niveau qui permettent de développer, d’intégrer et d’étalonner des instruments destinés à être embarqués dans l’espace à bord des observatoires spatiaux ou des missions d’exploration de l’environnement terrestre et du système solaire. D’autre part, les équipes qui développent des instruments pour les grands observatoires au sol (Télescope Bernard Lyot – Pic du Midi, Canada France Hawaï Télescope, European Space Observatory,…) ont à leur disposition la plateforme SISol, un ensemble de cinq salles techniques, dont deux sont équipées de bancs optiques et une abrite une tente propre de classe 10 000 (ISO 7).
Enfin, la proximité du centre spatial de Toulouse permet à l’IRAP de bénéficier de relations privilégiées avec le Centre national d’études spatiales (CNES), offrant la possibilité à ses personnels de travailler en équipes intégrées. Le laboratoire entretien également d’importants liens avec le tissu économique des PME et grandes entreprises du secteur spatial en région Midi-Pyrénées pour ses réalisations instrumentales en partenariat ou en contrat de sous-traitance.
PILOT
Initié en 2006, le projet PILOT a pour objectif de mesurer l’émission polarisée des grains de poussières du milieu interstellaire (MIS) à l’aide d’un instrument embarqué sous ballon stratosphérique, véritable observatoire mobile. Le premier vol de l’instrument PILOT, composé d’un miroir primaire, d’un photomètre et d’un cryostat contenant 2048 bolomètres refroidis à 0,3 K, s’est déroulé avec succès du 20 au 21 septembre 2015.
À 40 km d’altitude, pendant près de 24 heures, depuis l’ouest du Canada jusqu’au Québec, le ballon stratosphérique conçu par le CNES s’est laissé porter au grès des vents avec sa nacelle suspendue chargée d’appareils de mesure. Les données recueillies sont en cours d’analyse. PILOT a trois objectifs scientifiques : déterminer la géométrie du champ magnétique dans les zones du ciel observées, caractériser la forme et la composition des grains de poussière et mieux comprendre l’émission polarisée des avant-plans galactiques dont la complexité limite aujourd’hui la détection des ondes gravitationnelles primordiales générées pendant la période d’inflation 10-54 secondes après le Big Bang. PILOT observe à 240 micromètres, près du maximum de l’émission des poussières. Ceci lui confère une meilleure résolution angulaire, et potentiellement une meilleure sensibilité que les mesures antérieures, comme celles du satellite Planck à 850 micromètres.
Les ballons stratosphériques ont l’avantage d’être moins coûteux que les satellites. Le temps consacré aux étalonnages d’avant vol peut être étendu, puisque ces dispositifs n’ont pas de contrainte lanceur. Enfin, les ballons, contrairement aux satellites, sont récupérables. Ils peuvent être optimisés et améliorés entre chaque campagne, comme PILOT qui se prépare actuellement pour son deuxième vol au-dessus de l’Australie en avril 2017. Pour toutes ces raisons, les ballons stratosphériques servent de précurseurs aux futurs grands projets satellites.
http://pilot.irap.omp.eu/PAGE_PILOT/index.html ; https://pilot.cnes.fr/
PILOT est un projet international impliquant l’IRAP et l’Institut d’astrophysique spatiale (CNRS/Université Paris Sud), ainsi que le CEA, le CNES, l’ESA et des partenaires étrangers (Universités de Rome et de Cardiff).
Biographie : Jean-Philippe Bernard.
Jean-Philippe Bernard a effectué sa thèse à l’Institut d’astrophysique spatiale (IAS) sur les poussières du milieu interstellaire, pendant laquelle il utilisait déjà les données de l’instrument Pronaos, embarqué sous un ballon stratosphérique. Il a effectué deux post-doctorats au Japon et aux États-Unis travaillant notamment sur les données du satellite ISO. Il obtient un poste de chargé de recherche au CNRS en 1996 à l’IAS où il est responsable des étalonnages de la caméra EPIC sur le satellite XMM. Il participe aussi à la définition de l’instrument HFI sur le satellite Planck et l’analyse des résultats de l’expérience sous ballon stratosphérique Archeops. Arrivé à l’IRAP en 2002, il participe activement à la publication des résultats des satellites Planck et Herschel. Il est aujourd’hui directeur de recherche et responsable scientifique du projet PILOT.
SVOM/ECLAIRs
La mission franco-chinoise SVOM a pour objectif de détecter les rayons X et gamma issus de phénomènes très violents comme l’explosion d’étoiles massives, la fusion d’étoiles à neutrons ou les trous noirs. Le mini-satellite d’une tonne, dont le lancement est prévu pour 2021, transportera à 600 km d’altitude deux instruments français, ECLAIRs et MXT, et deux instruments chinois, GRM et VT. ECLAIRs est une caméra au large champ de vue (un sixième du ciel) destinée à détecter les sursauts gamma. Un calculateur embarqué déterminera la position de leur source dans le ciel. Une dizaine de secondes après cette détection, ECLAIRs devra signaler la position de la source émettrice aux télescopes au sol qui pourront, en 30 secondes seulement pour les plus rapides, pointer la bonne zone du ciel, observer le sursaut éphémère dans le domaine visible et déterminer la distance de la source. Après trois minutes environ, une fois le satellite SVOM correctement orienté dans l’espace, ce sera au tour du télescope à petit champ MXT de commencer une observation précise dans le domaine des rayons X. Les sources des sursauts gamma peuvent être des supernovae, explosions d’étoiles massives, ou des étoiles à neutrons et trous noirs issus de l’effondrement du cœur de ces étoiles. Les rayons X et gamma produits ne durent que quelques secondes et ne traversent pas l’atmosphère terrestre, d’où la nécessité de les détecter par satellite.
Particulièrement brillants, il est possible de les voir jusque dans des régions très lointaines de l’Univers. Enfin, ils ont la capacité de conserver la signature de tous les milieux qu’ils ont traversés, depuis leur lieu de formation il y a plusieurs milliards d’années, en passant par la galaxie dans laquelle l’événement extrême à leur origine s’est produit, jusqu’au milieu interstellaire plus proche de nous. L’étude de ces jets est donc fondamentale à la compréhension de notre jeune Univers. La France fournit également un télescope robotique destiné au suivi depuis le sol, implanté au Mexique, et dontla caméra infrarouge CAGIRE est en construction à l’IRAP.
https://svom.cnes.fr/fr/SVOM/Fr/index.htm
La contribution française à la mission SVOM est développée en partenariat avec des laboratoires du CEA/Irfu et du CNRS dont l’IRAP, le Laboratoire d’astrophysique de Marseille (CNRS/Université Aix-Marseille), le Laboratoire astroparticules et cosmologie (CNRS/Observatoire de Paris/Université Paris Diderot /CEA) et l’Institut d’astrophysique de Paris (CNRS/Université Pierre-et-Marie-Curie).
Biographie : Jean-Luc Atteia
Jean-Luc Atteia a obtenu son doctorat d’astrophysique en 1987 à l’Université Toulouse III Paul Sabatier, à quelques centaines de mètres de l’IRAP, son lieu de travail actuel. C’est là qu’il passe 12 ans en tant qu’assistant astronome, avant d’obtenir en 2000 le grade d’astronome. Entre 2001 et 2010, il travaille pour le Laboratoire astrophysique de Toulouse – Tarbes, qui devient IRAP en 2011. Jean-Luc Atteia est fasciné par l’aspect dynamique de l’Univers et ses phénomènes violents. De plus, après avoir collaboré 10 ans avec la Russie, 10 ans avec les États-Unis et 10 ans avec la Chine, il est devenu fervent défenseur de l’universalité de la science et du partage des connaissances, aussi bien entre les pays qu’entre les générations d’astrophysiciens.
ATHENA
La Terre appartient au Système solaire qui gravite autour de notre galaxie la Voie Lactée, elle-même incluse dans l’amas d’une quarantaine de galaxies appelé Groupe Local… Si l’on s’éloigne encore, des milliers d’autres amas de galaxies reliés les uns aux autres par des filaments plus fins peuplent notre univers et lui procurent une structure filamentaire en « toile d’araignée » qui suit les structures de matière noire. L’objectif de la mission ATHENA de l’ESA est de comprendre comment la matière s’est structurée en cette gigantesque toile cosmique, et comment sont nées et ont grandi les premières galaxies ainsi que les trous noirs qu’elles abritent en leur centre.
Cet observatoire spatial dont le lancement est prévu pour fin 2028, embarquera un miroir et deux instruments focaux : un imageur grand champ et le X-IFU (X-ray Integral Field Unit), un spectromètre X à intégrale de champ. Le spectromètre français va capter et analyser le rayonnement X résultant des phénomènes les plus extrêmes observables dans l’Univers, comme l’accrétion de matière par un trou noir ou la circulation de gaz chaud piégé dans les amas de galaxies. Sachant que les amas de galaxies sont des structures fermées desquelles rien ne s’échappe, X-IFU permettra également de mesurer l’histoire de l’enrichissement en métaux de l’Univers et comprendre ainsi les processus de fabrication de ces éléments qui nous constituent ainsi que les planètes comme la Terre. Contrairement à ses prédécesseurs, grâce à son extrême sensibilité, ATHENA permettra d’observer l’Univers environ un milliard d’années après le Big Bang et ainsi d’étudier la formation des premiers trous noirs. La co-évolution des trous noirs et des galaxies sera ainsi étudiée pour mieux comprendre la corrélation entre la masse des galaxies et celle de leur trou noir central. Avec ses 800 kg et ses 4000 détecteurs, X-IFU est un instrument ambitieux, souvent considéré comme le plus complexe jamais réalisé pour une mission spatiale scientifique.
http://www.the-athena-x-ray-observatory.eu/ ; http://x-ifu.irap.omp.eu/
X-IFU est réalisé sous la responsabilité scientifique de l’IRAP et sous maîtrise d’œuvre du CNES. Le CEA et le Laboratoire astroparticules et cosmologie (CNRS/Observatoire de Paris/Université Paris Diderot /CEA) sont également impliqués.
Biographie : Didier Barret
Médaillé de bronze du CNRS, président de la SF2A de 2006 à 2008, directeur de recherches première classe, membre du comité exécutif du laboratoire d’excellence OCEVU de 2012 à 2014, ancien président du groupe Astronomie du CNES, responsable scientifique du groupe « Galaxies, Astrophysique des Hautes Énergies, et Cosmologie » de l’IRAP de 2011 à 2015… Les accomplissements de Didier Barret sont nombreux depuis son entrée au CNRS en 1997. Le 26 juin 2014, après plus de 10 ans de travail, le projet ATHENA est finalement accepté par l’ESA et il prend la responsabilité scientifique de l’instrument X-IFU. Malgré cette effervescence professionnelle, l’astrophysicien a trouvé le temps de fonder l’association Les étoiles brillent pour tous. Depuis 2004, son objectif est d’amener la culture scientifique aux publics « empêchés » (prisons, hôpitaux, maisons de retraite). Pour cette initiative, il reçoit le prix « Le goût des sciences 2013 » des mains de la ministre de la Recherche et de l’Enseignement supérieur.
SPIRou
Spectropolarimètre et vélocimètre de haute précision capable d’observer dans le domaine infrarouge proche, SPIRou est un instrument innovant qui équipera le télescope Canada-France-Hawaï (TCFH) dès l’automne 2017. SPIRou permettra tout d’abord dedétecter et de caractériser les exoplanètes similaires à la Terre en orbite autour des naines rouges voisines du Système solaire, et plus spécifiquement celles situées dans la zone habitable de leur étoile, à l’intérieur de laquelle la présence d’eau liquide à leur surface est possible. SPIRou pourra également explorer, avec une sensibilité largement accrue par rapport aux instruments existants, la formation des étoiles et de leurs systèmes planétaires, et plus spécifiquement l’impact encore mal connu du champ magnétique sur cette genèse.
L’instrument travaillera en étroite collaboration avec le satellite TESS de la NASA, qui cherchera lui aussi à détecter, à compter de 2018, les exoplanètes proches via la méthode complémentaire des transits photométriques. Le nouveau télescope spatial James Webb prendra alors le relai pour tenter de caractériser l’atmosphère des exoplanètes détectées et rechercher des biomarqueurs suggérant la présence de vie. Inspiré des spectropolarimètres optiques ESPaDOnS et NARVAL du TCFH et du Télescope Bernard Lyot (TBL) du Pic du Midi, et du vélocimétrie visible HARPS, SPIRou représente également un défi technologique : il intègre notamment un spectrographe cryogénique refroidi à -200°C et ultra-stabilisé en température à un millième de degré, ce qui lui permet d’observer dans l’infrarouge sans être pollué par le rayonnement thermique ambiant et de garantir que les variations nanométriques trahissant la présence d’exoplanètes soient détectables sans ambiguïté. SPIP, le jumeau de SPIRou qui équipera le TBL à compter de 2020, sera construit sur un financement de la Région Midi-Pyrénées, et viendra épauler SPIRou dans son exploration des nouveaux mondes.
http://spirou.irap.omp.eu/ ; http://www.ast.obsmip.fr/article.php3?id_article=1006
SPIRou est un projet international, impliquant dix instituts dans sept pays : la France, le Canada, le Brésil, Taiwan, les États-Unis, la Suisse et le Portugal.
Biographie : Jean-François Donati
Ancien élève de l’école Polytechnique, directeur de recherche au CNRS en poste à l’IRAP, Jean-François Donati étudie principalement la naissance des étoiles et des planètes, et notamment le rôle du champ magnétique dans cette genèse. Il a conçu les spectropolarimètres ESPaDOnS et NARVAL des télescopes Canada-France-Hawaii et Bernard Lyot au Pic du Midi, et travaille maintenant sur les jumeaux SPIRou et SPIP. Le résultat de ses recherches, objet de plus de 200 publications, a été récompensé en 2008 par le prix Deslandres de l’Académie des Sciences. Pour l’année mondiale de l’astronomie en 2009, il a conçu l’exposition tout public « Nature Magnétique : des atomes aux étoiles » sur le thème du magnétisme. De cette exposition est né un partenariat avec le journal SPIROU.
Solar Orbiter
La mission Solar Orbiter, dont le lancement est prévu pour octobre 2018, a pour vocation d’étudier les relations entre l’activité de la surface solaire (éruptions, taches, champ magnétique,…) et les perturbations de l’environnement solaire qui en résultent (les différents vents solaires, les chocs et la production de particules énergétiques, les éjections de masse coronale…). Cette mission est la première du programme Cosmic Vision 2015-2025 de l’ESA. La sonde, placée sur une orbite elliptique approchant le soleil à environ 50 millions de kilomètre (un tiers de la distance Soleil/Terre), effectuera deux types de mesures. D’une part, elle effectuera des observations de spectro-imagerie à distance des structures ‘coronales’ et des éruptions solaires en pointant la même zone du Soleil pendant plusieurs jours. Par ailleurs, les particules chargées éjectées par le Soleil et constituant le vent solaire seront étudiées in situ de manière à mettre en lien ces éjections avec les événements de la surface dont elles sont issues, ceci en lien avec des mesures de champs électromagnétiques. Solar Orbiter comporte une dizaine d’instruments : l’IRAP est responsable du senseur PAS (Proton Alpha Sensor), qui devra déterminer la densité et la vitesse des protons et des particules alpha, qui sont les composants majeurs du vent solaire. Cet instrument sera entre 100 et 1000 fois plus précis que ses prédécesseurs des missions Helios 1 et 2 lancés dans les années 1970. Un des défis techniques majeurs est l’obligation de fonctionner dans des situations de flux intenses, avec des surfaces ‘chaudes’ de l’instrument portées à plus de 500°C, et à l’autre extrême, des situations froides (-40°C), lorsque la sonde est à son point d’éloignement maximal du Soleil. Autre difficulté, la sonde et ses instruments devront être capables de fonctionner en autonomie complète jusqu’à 60 jours d’affilée, durée de son passage derrière notre étoile durant laquelle aucun ordre ne pourra lui être envoyé.
Les données recueillies par Solar Orbiter pourront être couplées avec celles de la sonde Solar Probe, actuellement développée par la NASA pour un lancement également en 2018, et qui approchera le Soleil à seulement 7 millions de kilomètres. Cette combinaison permettra de mettre en lien les événements de la surface solaire avec les perturbations et processus d’accélération du vent solaire, sur la quasi-intégralité de la distance Soleil-Terre. Ensembles, ces deux missions constitueront un outil exceptionnel pour l’étude de l’activité du soleil, de son environnement et des perturbations résultantes à notre planète et notre proche milieu spatial.
http://sci.esa.int/solar-orbiter/ ; https://solar-orbiter.cnes.fr/
L’ESA est maître d’ouvrage du satellite Solar Orbiter qui sera lancé par la NASA en 2018. Le CNES participe à lafabrication de 6 des 10 instruments de la mission, avec au moins sept laboratoires français impliqués, dont le Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique (CNRS/Observatoire de Paris/Université Paris Diderot/UPMC/UVSQ/CNES) et l’IRAP.
Biographie : Philippe Louarn
Actuel directeur de l’IRAP, Philippe Louarn est directeur de recherche au CNRS, spécialiste de la physique des plasmas spatiaux. Il travaille principalement à l’observation et l’interprétation des processus observés dans les environnements magnétisés du système solaire. Il s’agit de comprendre par des mesures ‘in-situ’ des processus et des mécanismes « génériques », potentiellement applicables à des situations astrophysiques générales, tels que les processus d’accélération de particules, de chauffage et de rayonnement des plasmas, la génération ou la dissipation des champs magnétiques. Les observations se font principalement à partir de missions spatiales qui explorent ces environnements magnétisés, tels que CLUSTER, THEMIS ou MMS à la Terre, GALILEO et JUNO à Jupiter, CASSINI à Saturne, Bepi Colombo, Solar Orbiter et Solar Probe, missions dont il est co-investigateur. Son implication technique principale est aujourd’hui liée à la mission Solar Orbiter dont il est co-responsable du consortium SWA (Solar Wind Analyzer).
CALIPSO
Dans l’Univers, le plasma est l’état de la matière le plus commun et des instruments sont régulièrement lancés dans l’espace pour l’étudier.
CALIPSO (CALibration d’Instruments Particules et Services d’Observation) est un ensemble de trois enceintes à vide, de respectivement 3 m3, 1 m3 et 20 L, destinées à étalonner ces instruments particules pour l’IRAP et ses partenaires. Ces instruments ont pour but de détecter les particules chargées (ions et électrons) du plasma présent dans les différents environnements chargés et magnétisés du Système solaire. Dans les enceintes à vide, à température ambiante et dans le vide, un dispositif automatisé permet d’orienter les instruments à 360° pour être certain de tester leur bon fonctionnement selon tous les angles de détection possibles. Les trois enceintes sont reliées à différents types de canons à ions et/ou électrons destinés à bombarder les instruments spatiaux de particules chargées. Le plus souvent, le filament d’une lampe est chauffé pour produire un plasma d’électrons. Ces électrons sont ensuite accélérés par application d’une haute tension (pouvant atteindre 30 kV dans le cas de CALIPSO 1) puis, soit directement envoyés sur l’instrument à tester, soit envoyés sur un gaz résiduel pour produire des ions qui seront à leur tour accélérés pour bombarder l’intérieur de l’enceinte à vide. La calibration d’un instrument nécessite en générale 15 jours de fonctionnement à plein temps pour chaque enceinte et des tests de durée de vie d’instruments s’étalant sur plusieurs mois sont également réalisables. CALIPSO 2 et 3, pour lesquels des éléments de leur prédécesseur lui aussi conçu à l’IRAP ont été récupérés, sont déjà en fonctionnement. CALIPSO 2 a ainsi été utilisé en 2015 pour les vérifications finales des deux analyseurs d’électrons fournis par l’IRAP pour la mission BepiColombo (Mercure) et servira en 2016 à calibrer les détecteurs (galettes à micro-canaux) de l’instrument JENI (Jupiter Energetic Neutrals and Ions) pour la mission JUICE (Jupiter). CALIPSO 3 et son canon à électrons ont permis d’étalonner les photomultiplicateurs de l’instrument PAS (Proton Alpha Sensor) de la mission Solar Orbiter. La dernière étape en cours avant la mise en service fin 2016 de CALIPSO 1, dont tous les éléments sont neufs, est le développement d’un logiciel de contrôle permettant d’automatiser les protocoles de tests, et utilisable à terme pour le fonctionnement des trois enceintes CALIPSO.
Biographie : Nicolas André
Ancien élève de SUPAERO, chargé de recherche au CNRS en poste à l’IRAP depuis 2009, Nicolas André étudie principalement l’environnement magnétisé et ionisé des planètes géantes à l’aide d’études théoriques et d’analyse de données observationnelles, notamment fournies autour de Saturne par la mission Cassini-Huygens depuis 2004 et la mission Juno en route vers Jupiter. Il participe également à la préparation des grandes missions futures d’exploration de ces environnements, comme la mission JUICE de l’ESA pour laquelle il avait été l’un des proposants principaux en 2006.
Il est responsable depuis 2014 des deux analyseurs d’électrons (Mercury Electron Analyzer) fournis par l’IRAP pour la mission BepiColombo. Enfin, il coordonne les services de météorologie spatiale planétaire en cours de développement au sein de l’infrastructure européenne Europlanet.
