F2 : Du Big Bang à l’Univers du futur

  • La cosmologie est l’étude de l’Univers dans ses plus grandes dimensions et de son évolution. Dans le modèle à succès du big bang, l’Univers primitif est chaud et dense et se refroidit au fur et à mesure de son expansion. La question du statut de la singularité originelle (le big bang) dont est issu l’espace est centrale. Elle peut être étudiée à travers les ondes gravitationnelles produites immédiatement après le big bang, par exemple pendant une phase explosive d’expansion, connue sous le nom d’inflation, qui suit immédiatement le big bang.
    L’étude de l’expansion de l’Univers a récemment montré une accélération inattendue dans les étapes plus récentes de l’évolution, qui est attribuée à une nouvelle forme d’énergie, connue sous le nom d’énergie sombre. Comprendre la nature de l’énergie noire et le destin de l’Univers est une autre question fondamentale.

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    Bien que ces questions scientifiques soient spécifiques à la compréhension de l’Univers primitif et de son évolution ultérieure, les méthodes utilisées ont des applications d’une grande portée. Par exemple, dans le contexte du Campus spatial, les équipes de l’IPGP et de l’APC se sont rendu compte qu’elles utilisent des méthodes similaires pour analyser les données sismiques sur la surface de la Lune et les fluctuations du fond des micro-ondes cosmiques (CMB) : dans les deux cas, les fluctuations sur une sphère. De plus, la cosmologie exige le traitement de quantités de données de plus en plus grandes. Par exemple, les observations sur 10 ans par le télescope LSST (qui effectue de grands levés du ciel pour comprendre les propriétés de l’énergie sombre) nécessiteront une base de données brutes de 60 PetaBytes. Le traitement d’une telle quantité de données est un défi qui positionnera le domaine à un endroit très central pour le traitement de quantités massives de données.

    Nous avons identifié un certain nombre d’axes :

    1. Soutien au Centre de Physique Cosmologique de Paris (PCCP)

    Toutes les questions fondamentales énumérées ci-dessus sont traitées par le Centre de Physique Cosmologique de Paris (PCCP : http://www.pariscosmo.fr). Nous avons souligné précédemment que les objectifs du PCCP sont très similaires à ceux annoncés par le LabEx, bien que le PCCP soit plus ciblé sur le plan thématique, mais dispose d’un plus grand nombre de laboratoires. Le LabEx soutient le Centre en fournissant un poste postdoctoral (PCCP fellow) chaque année, ainsi qu’en finançant les visites de scientifiques à haute visibilité internationale par le biais d’un programme spécial UnivEarthS-PCCP.

    2. Polarisation en mode B du fond diffus cosmologique

     

    La mesure des modes de polarisation B du Cosmic Microwave Background (CMB) peut fournir une sonde directe des ondes gravitationnelles primordiales produites pendant l’époque inflationniste. Mesurer précisément la polarisation du CMB est donc la prochaine frontière passionnante. Sa caractérisation sera encore améliorée par la mission satellite Planck (lancée le 14 mai 2009). La faiblesse du signal en mode B nécessite le développement d’une expérience très sensible avec un contrôle exquis des erreurs systématiques. La plupart des expériences ou projets dédiés à la quête sont basés sur la technologie bien connue de l’imagerie directe. Alors que les imageurs mesurent les cartes du CMB, les interféromètres mesurent directement les composantes de Fourier des paramètres de Stokes et sont donc moins sensibles aux effets systématiques. Malheureusement, le concept classique de l’interférométrie hétérodyne classique peut avoir atteint ses limites en termes d’échelle et de sensibilité. Cependant, l’interférométrie bolométrique pourrait combiner les avantages de l’interférométrie en termes de traitement systématique des effets et ceux des détecteurs directs en termes de sensibilité.
    Bien que de nombreuses expériences soient déjà proposées aux Etats-Unis (au sol et en ballon), un seul projet émerge en Europe, le programme QUBIC soutenu par une collaboration franco-italienne-USA-UK-Irlandaise (http://www.qubic.org). L’équipe d’APC CMB, y compris son laboratoire expérimental, dirige cet effort de recherche.

    L’objectif est de réaliser en 4 années une conception complète de l’instrument final, ce qui signifie qu’il sera nécessaire de développer toute la chaîne de détection et de choisir entre les 2 solutions possibles sur lesquelles nous travaillons (KIDS et TES). Nous devons également construire un prototype du premier module dans un délai de 2 ans afin d’effectuer les premières observations sur le ciel et par conséquent d’accorder et d’améliorer le comportement de ce premier module. Comme nous l’avons développé dans la section 6, nous avons l’intention de mettre les contributions LABEX sur le développement des KIDs et sur la conception et la conception de l’instrument qui est maintenant bien établi mais qui nécessite encore un effort important dans les aspects d’analyse des données. La description du concept est sur le processus à publier et disponible sur les archives :’QUBIC : L’interféromètre bolométrique QU pour la cosmologie’, E. Battistelli et al. astro-ph 1010.0645 et soumis à AstroParticle Physics.

    3. Comprendre la nature de l’énergie sombre

     

    L’autre sous-ensemble de travaux a une chronologie différente : il s’agit de l’analyse de données d’expériences à la recherche de la nature de l’énergie sombre. Ils sont basés sur des enquêtes à grande échelle qui nécessitent de stocker et d’analyser des quantités massives de données. Le Centre François Arago, avec le centre de calcul IN2P3 à Lyon, jouera un rôle important dans cette tâche difficile. Les travaux proposés ont consisté d’abord à identifier les besoins exacts en matière de stockage et de traitement des données (2011-2014) et ensuite à participer à la mise en place d’un centre international pour l’énergie noire, comme déjà prévu aux Etats-Unis par la collaboration LSST (2015-2020).

    Des progrès dans ce domaine sont attendus tant sur le plan théorique que sur le plan de l’observation.
    Du côté théorique, des modèles alternatifs de l’énergie sombre sont examinés, ainsi que d’éventuelles modifications de la gravité sur de grandes distances. Les deux directions devraient être suivies, étant donné que l’énergie sombre n’est actuellement connue que par ses effets gravitationnels. Par conséquent, les observations conduisant à déduire son existence peuvent également être expliquées par des changements dans les lois gravitationnelles à des distances cosmologiques. Il existe de nombreux modèles qui remplacent une simple constante cosmologique par un nouveau contenu sombre plus ou moins exotique de l’Univers, mais aucun modèle de modification à grande distance de la gravité n’est connu.
    Les groupes de théorie APC et LUTh sont impliqués dans les deux directions, avec une expertise particulière sur l’étude des modifications à grande distance de la gravité à APC. De nouvelles propositions dans ce sens ont été faites récemment par les théoriciens d’APC et sont actuellement à l’étude.
    D’un point de vue observationnel, la compréhension de l’énergie sombre exige une caractérisation plus précise des propriétés de cette énergie sombre et des tests de relativité générale standard. Deux familles complémentaires de mesures doivent être poursuivies, puisqu’elles permettent de différencier la gravité modifiée de l’énergie sombre stricto sensu : les mesures du taux d’expansion de l’Univers et de son évolution, et la mesure de la croissance des structures, dont le rythme est ralenti par l’énergie sombre.
    Pour chacune de ces mesures, plusieurs techniques complémentaires doivent également être utilisées : la précision extrême requise pour ces observations exige de contrôler soigneusement les dégénérescences et les effets systématiques, qui affecteront les différentes sondes de différentes manières.
    APC participe à plusieurs projets d’observation à court et à long terme en utilisant plusieurs techniques de caractérisation de l’énergie sombre, par l’entremise de son groupe d’astronomie à grand champ. Elle participe également au projet Planck (voir ci-dessus) et pourra utiliser les données du CMB en corrélation avec d’autres enquêtes de terrain.
    A plus long terme, APC se concentre sur le grossissement cosmique, une autre façon d’exploiter la lentille gravitationnelle que la mesure de cisaillement plus courante – cette technique est très bien adaptée à la profondeur des futurs relevés. La préparation des analyses futures se fait actuellement sur les données SDSS, et APC prévoit d’appliquer cette technique aux données LSST et Euclid. LSST (Large Synoptic Survey Telescope) est un télescope proposé avec un miroir principal de 8,4 m de diamètre, qui devrait obtenir ses premières images scientifiques en 2019. Il sera situé au sommet du Cerro Pachón au Chili, qui abrite déjà le télescope Gemini Sud. La caméra a une mosaïque de 200 CCDs 4k x 4k, totalisant 3,2 milliards de pixels, avec un champ de vision de dix degrés carrés. Ce projet dirigé par Anthony Tyson de l’Université de Californie, Davis a été classé par l’Astronomy and Astrophysics Decadal Survey “New Worlds and New Horizons in Astronomy and Astrophysics” comme sa priorité absolue pour la prochaine grande installation astronomique au sol. Euclid, un projet spatial proposé par un consortium européen (dirigé par Alexandre Refregier du CEA/IRFU/SAp) sera l’instrument parfait pour mesurer la lentille gravitationnelle et la BAO.
    Les deux expériences devraient être opérationnelles vers 2019. APC est déjà fortement impliqué dans leur préparation – logiciel de contrôle de caméra et d’étalonnage photométrique pour LSST, et surtout, le traitement des données pour LSST et Euclid segment sol. Euclide est un projet spatial qui s’appuie sur des données au sol pour exploiter pleinement ses données scientifiques : Les données LSST seront un atout important dans l’exploitation scientifique d’Euclide, et APC sera chargé de fusionner les données LSST et Euclid. Comme les données LSST représenteront des dizaines de pétaoctets, le traitement des données dépendra fortement des ressources informatiques et du personnel du CC-IN2P3 et du Centre François Arago (FACe).

  • Position Nom Laboratoire Grade, employeur
    WP leader Giraud-Héraud, Yannick APC DR – CNRS
    WP co-leader Piat, Michel APC Professeur – Université Paris Diderot
    WP co-leader Hamilton, Jean-Christophe APC DR – CNRS
    WP co-leader Aubourg, Eric APC CEA
    WP co-leader Langlois, David APC DR – CNRS
    WP membre Bartlett, James G. APC Professeur – Université Paris Diderot
    WP membre Ganga, Ken APC DR – CNRS
    WP membre Bucher, Martin APC DR – CNRS
    WP membre Stompor, Radek APC DR – CNRS
    WP membre Patanchon, Guillaume APC MCF – Université Paris Diderot
    WP membre Errard, Josquin APC CR – CNRS
    WP membre Grandsire, Laurent APC IR1 – CNRS
    WP membre Tartari, Andrea APC/PCCP PCCP fellow
    WP membre Cavet, Cécile APC/FACe IR – CNRS
    WP membre Smoot, George APC/PCCP Professeur – Université Paris Diderot/USPC
    WP membre Hazra, Dhiraj Kumar APC/PCCP Boursier PCCP
    WP membre Prêle, Damien APC IR2 – CNRS
    WP membre Voisin, Fabrice APC IR2 -CNRS
    WP membre Chapron, Claude APC IR1 – CNRS
    WP membre Bleurvacq, Nathan APC IE – CNRS
    WP membre Decourcelle, Tanguy APC CDD-IE – CNES
    WP membre Ascaso, Begoña APC Boursier Marie Curie
    WP membre Traini, Alessandro APC PhD – Sorbonne Paris Cité – ED560
    WP membre Beck, Dominic APC PhD – Sorbonne Paris Cité – ED560
    WP membre Doux, Cyrille APC PhD – Sorbonne Paris Cité – ED560
    WP membre Hoang Duc Thuong APC PhD – Sorbonne Paris Cité – ED 560

  • QUBIC :

     

    QUBIC, en tant qu’interféromètre bolométrique, devrait offrir un niveau sans précédent de contrôle de la systématique grâce à la possibilité d’effectuer son auto-calibration. Cependant, cet avantage clair se fait au prix d’une analyse de données plus compliquée qu’avec les imageurs classiques : le faisceau synthétisé est très structuré (multiplié, dépendant de la fréquence avec des formes de faisceau non gaussiennes), de sorte que le processus de création de la carte doit être basé sur des algorithmes spécifiques. Cette question importante a été résolue au cours des trois dernières années par Pierre Chanial, grâce au financement du Labex UnivEarths. Il a développé un programme de calcul parallèle haute performance pour permettre la mise en œuvre d’un simulateur réaliste de QUBIC Time-Ordered-Data en utilisant de multiples convolutions du ciel d’entrée et des données ordonnées dans le temps, en tenant compte de configurations instrumentales réalistes (y compris le bruit 1/f).

    En 2017, la principale contribution du labex WP F2 au QUBIC a été fixée, avec l’arrivée de Maria Salatino dans le projet, le développement de scripts pour l’acquisition de données et l’analyse des réseaux TESes et l’amélioration du banc d’essai de laboratoire. Elle a élaboré un ensemble de scripts pour exécuter automatiquement l’analyse des données et caractériser les tableaux TES.

    Enfin, nous aimerions mentionner qu’en 2017, APC étant le laboratoire PI du QUBIC, quatre réunions de collaboration ont été organisées à l’Université Paris Diderot : 20-21 avril, 22 juin, 21 septembre et 28 novembre.

     

     

    Observatoire POLARBEAR/Simons

    En 2017, la collaboration Polarbear a publié de nouvelles contraintes sur le spectre de puissance en mode CMB B sur de petites échelles angulaires. Elles s’appuient sur deux campagnes d’observation et actualisent les précédentes contraintes publiées en 2014. Le nouveau résultat s’élève à près de 4\sigma de détection de l’amplitude du signal généré par la lentille. Le dernier article a été coordonné par un ancien élève d’APC, J. Peloton, et les résultats sont basés sur l’analyse effectuée avec deux systèmes d’analyse de données indépendants, dont l’un a été développé à APC. Nous avons également commencé à travailler sur l’analyse des données de la troisième campagne.

    Le soutien aux déplacements fourni par le Labex pour l’effort Polarbear a couvert la participation de deux chercheurs d’APC (Radek Stompor, Josquin Errard) et d’un étudiant au doctorat (Dominic Beck) à une réunion annuelle de collaboration. Cela nous a permis de présenter en détail le travail effectué à APC au cours de l’année entre les réunions, de participer à des discussions stratégiques définissant l’avenir du projet et de commencer de nouvelles collaborations pratiques avec d’autres membres de la collaboration. Le financement a été essentiel pour assurer notre présence continue et notre impact sur le projet et pour faire de Dominic Beck un membre à part entière de la collaboration.

     

    LiteBIRD

     

    LiteBIRD est une mission satellite dirigée par le Japon et axée sur la détection du signal primordial de mode B et la vérification du paradigme inflationniste. La mission fait actuellement l’objet d’une étude de phase A au Japon et a conclu avec succès une telle étude aux États-Unis. Les chercheurs d’APC sont impliqués dans LiteBIRD depuis 2015, soit en tant que membres à part entière de l’équipe, soit en tant que collaboateurs externes. Ils travaillent sur deux questions clés de la conception des satellites : le choix des bandes de fréquences et leur sensibilité et leur impact sur la performance des satellites, et l’impact et l’atténuation de certaines systématique instrumentale. Dans ces deux domaines, nous jouons un rôle de coordination et de direction. En 2017, nous avons initié la mise en place de la collaboration LiteBIRD-France, ce qui a abouti à la préparation et à la soumission en septembre 2017 d’une proposition de mission d’opportunité au CNES. La collaboration LiteBIRD-France implique actuellement plus de 35 chercheurs de 9 instituts en France et APC est l’un des coordinateurs de cet effort en cours. Nous sommes également une force motrice derrière l’effort au niveau européen, qui est maintenant en cours d’organisation, visant à la préparation d’une proposition à l’ESA.

    La contribution du Labex à ce type de projet est décisive pour construire la contribution du laboratoire, elle a été déterminante pour nous aider à coordonner l’effort visant à définir une contribution au niveau européen au LiteBIRD.

    CMB-S4

     

    L’expérience CMB au sol de la prochaine génération, CMB-Stage 4 (CMB-S4), est une entreprise massive pour déployer 500 000 détecteurs dans le ciel afin d’augmenter la sensibilité d’au moins un ordre de grandeur. En utilisant une série de télescopes à petite et grande ouverture répartis entre le pôle Sud et le désert d’Atacama au Chili, les principaux objectifs scientifiques sont de rechercher les ondes de gravité primordiales, par le biais du signal d’anisotropie CMB en mode B polarisé, et de limiter le nombre d’espèces de particules lumineuses produites au début de l’univers, en mesurant le nombre effectif de degrés de liberté.

    Les chercheurs d’APC sont activement impliqués dans le développement de CMB-S4 et ont également participé au CDT. Grâce au Labex, en 2017, Ken Ganga et James G. Bartlett ont participé aux deux réunions annuelles de CMB-S4.

    Analyses conjointes de sondes cosmologiques

     

    En 2017, nous venons tout juste d’ouvrir ce nouveau champ de recherche malgré ce que nous avions prévu de faire. Cependant, nous pouvons déjà souligner une participation à la réunion du LSST DESC à l’Université de Stony Brook (NY) du 10 au 15 juillet 2017.

     

  •  

    – Takakura, S. and the POLARBEAR collaboration, Performance of a continuously rotating half-wave plate on the POLARBEAR telescope, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, Issue 05, article id. 008 (2017).

    – The POLARBEAR collaboration, A Measurement of the Cosmic Microwave Background B-Mode Polarization Power Spectrum at Sub-Degree Scales from 2 years of POLARBEAR Data, accepted for publication in the Astrophysical Journal, (2017)

    – Poletti, D. and the POLARBEAR collaboration, Making maps of cosmic microwave background polarization for B-mode studies: the POLARBEAR example., Astronomy & Astrophysics, Volume 600, id.A60, (2017)

    – Matsumura, T. and the LiteBIRD collaboration, LiteBIRD: Mission Overview and Focal Plane Layout., Journal of Low Temperature Physics, Volume 184, Issue 3-4, pp. 824-831, (2016)

    Suzuki, A. and the POLARBEAR collaboration, The Polarbear-2 and the Simons Array Experiments. Journal of Low Temperature Physics, Volume 184, Issue 3-4, pp. 805-810, (2016)

    Cyrille Doux et al. Cosmological constraints from a joint analysis of cosmic microwave background and large-scale structure. arXiv.org 1706, arXiv:1706.04583 (2017))

    – Duc Thuong Hoang et al. – Bandpass mismatch error for satellite CMB experiments I: Estimating the spurious signal (https://arxiv.org/abs/1706.09486)