Univers extrême

L'astrophysique des hautes énergies se caractérise principalement par l'étude des objets appelés compacts : les naines blanches, les étoiles à neutron et les trous noirs, ainsi que des phénomènes qui ont lieu à leur proximité. Cette thématique est apparue au Département d’astronomie de l’UNIGE en 1988, et comprenait à l'époque un chercheur et un étudiant en thèse.

La thématique de base du groupe des hautes énergies est l'étude de l'émission multi-longueur d'onde et de la variabilité des noyaux actifs de galaxies, en particulier dans le visible et l'ultraviolet. Suite au lancement du projet de satellite INTEGRAL de l'Agence Spatiale Européenne (ESA), qui a pour but l'observation des rayons X durs et gamma de faible énergie, le groupe s'est élargi pour diriger le consortium de traitement des données, l'INTEGRAL Science Data Centre (ISDC). Ce projet a occasionné une importante diversification des thématiques scientifiques traitées dans le groupe de hautes énergies. Le centre de gravité de l'étude des noyaux actifs de galaxies s'est ainsi déplacé vers le domaine couvert par INTEGRAL, en mettant notamment l'accent sur la capacité de ce satellite d'observer des sources fortement obscurcies. Parallèlement, les sources de rayons X galactiques, comme les binaires X de faible et grande masses, les sources transitoires X super-rapides et novas X, ou encore les collisions de vent autour d'étoiles massives et de pulsars, sont devenus des sujets très importants. Aux plus grandes échelles cosmologiques, INTEGRAL apporte une contribution significative à l'étude des fusions d'amas de galaxies en permettant de mesurer l'intensité de radiation X émises par des électrons relativistes, résultant de chocs dans le gaz présent dans les amas.

Au-delà des énergies accessibles à INTEGRAL, aux frontières des astroparticules, les moyens d'observation aux très hautes et ultra-hautes énergies ont récemment fait d'énormes progrès, avec respectivement FERMI dans l'espace et HESS au sol. FERMI permet notamment l'observation de nombreux jets de noyaux actifs de type blazar, de pulsar, de sursauts gamma et de restes de supernovas. Le groupe de hautes énergies s'investit actuellement dans ces thématiques, à la fois sur le plan théorique de l'accélération de particules et sur le plan observationnel, en vue notamment de se préparer à l'exploitation des données du télescope de nouvelle génération d'observation en ultra-hautes énergies, le Cerenkov Telescope Array (CTA), le successeur de HESS, qui est en développement. En parallèle, le groupe est impliqué dans l'étude des jets de blazars par le satellite PLANCK.

L'étude de l'accélération de particules combinant les nouveaux moyens d'observation du rayonnement à très haute énergie tels que HESS et Fermi et la modélisation théorique est une nouvelle activité à l'ISDC. Ces recherches se focalisent sur les mécanismes d'émission de jets ultra-relativistes émis par les trous noirs supermassifs et les sursauts gamma, ainsi que sur l'origine des rayons cosmiques d'extrêmement haute énergie et l'origine des champs magnétiques à très grande échelle dans l'Univers.

POLAR est une nouvelle activité au sein du groupe. Il consiste dans le développement d'un détecteur de rayons X polarisés, dans le but de mesurer la polarisation de l'émission à haute énergie des sursauts gamma. Des discussions sont en cours avec les astronomes Chinois en vue de l'installation de POLAR sur la future station orbitale chinoise.

La continuation des activités traditionnelles du groupe des hautes énergies passe par la concrétisation de nouveaux projets d'observatoire dans les rayons X. Le groupe est ainsi fortement impliqué dans le projet japonais HITOMI (Astro-H), qui a été lancé le 17 février 2016, en proposant une contribution hardware, une roue à filtre pour l'instrument de micro-calorimètre cryogénique, en collaboration avec le Département de physique nucléaire et corpusculaire de l’UNIGE. HITOMI couvrira le même domaine d'énergie qu'INTEGRAL avec un gain en sensibilité supérieur à cent, et permettra donc de poursuivre les axes de recherche actuellement prioritaires. Par ailleurs, le détecteur cryogénique sera le premier détecteur de ce genre et offrira des perspectives scientifiques inédites, grâce à la présence simultanée de hautes résolutions spatiale et spectrale, auxquelles il convient de se préparer dès maintenant. Les axes privilégiés seront l'étude de l'émission des noyaux actifs de galaxies, en particulier les objets très absorbés, et les amas de galaxies.

L'observatoire du futur en haute énergie est ATHENA, et pourrait être lancé en 2028. Comme pour HITOMI, le groupe des hautes énergies se prépare à une participation active à ce projet en proposant de l'équipement hardware pour deux des cinq instruments qui y seront installés. ATHENA est un projet astrophysique majeur, à comparer au James Webb Space Telescope JWST) ou au Extremely Large Telescope (E-ELT) en terme de sensibilité. Pour cette raison, son domaine de prédilection sera la cosmologie en hautes énergies, comme la naissance des trous noirs supermassifs, les proto-amas de galaxies ou le milieu intergalactique, ainsi que les tests de la gravité en champ très fort.