Domaines du LabEx UnivEarthS
Les phénomènes violents de l’Univers sont reliés à la présence d'objets très compacts, étoiles à neutrons ou trous noirs. C’est seulement très récemment que les trous noirs ont acquis le statut d'objet astrophysique et pas seulement de curiosité, dans le cadre de la théorie de la gravitation (singularités protégées par un horizon, tandis que le big bang est une singularité nue). En effet, les trous noirs semblent être omniprésents dans l’Univers : ils constituent l’état final d’une étoile, sont présents dans de nombreux systèmes binaires, mais aussi au centre de très nombreuses galaxies (comme la notre, par exemple). Même si ce sont des objets simples du point de vue gravitationnel, leur environnement est très complexe. Le recyclage de l’énergie des phénomènes de haute énergie dans leur environnement, du retentissement à très grande distance de ces monstrueuses explosions, des jets de matière, l’impact des particules de haute énergie qui les accompagnent sont les clés pour comprendre l’émergence de nouvelles structures dans l’Univers, comme les nuages de gaz, les étoiles ou les galaxies. Tout ceci requiert des observations de très haute précision des modèles élaborés.
Nous traitons de l’Univers dans ses plus grandes dimensions. La question de l’émergence de l’espace, plus connue sous l’appellation de big bang, est à l’évidence une question centrale et requiert l’étude des premiers instants de l’Univers, i.e. l’Univers le plus distant (en raison de la vitesse finie de la lumière). L'univers est devenu transparent à la lumière . 180 000 ans après le big bang et cette première lumière est aujourd'hui observée sous la forme d'un rayonnement, le fonds cosmique micro-ondes (CMB). Interroger l'époque proche du big bang (l'inflation) nécessite l'identification de détails infimes sur la carte des fluctuations du CMB (pour lesquelles G. Smoot a reçu le prix Nobel en 2006) et des méthodes de mesures d’une précision en conséquence. Une autre approche prometteuse est la détection des déformations de l'espace temps à travers les ondes gravitationnelles. Ces ondes pourraient s'être formées juste après le big-bang et fourniraient la seule information directe sur la nature de l'univers à cet instant. Depuis ces époques primitives, l'expansion de l'univers s'est ralentie et en 1998 on a découvert que son expansion avait subi à nouveau une accélération depuis 4 milliards d'années. Cette accélération est attribuée à une forme d'énergie inconnue, appelée énergie sombre. L'identification de cette énergie a été définie par les communautés d’astrophysique et de physique fondamentale comme un objectif prioritaire pour les 10 prochaines années. Ceci est bien lié à la question du futur de notre univers.
La formation des objets planétaires, en particulier la terre et la lune, à travers le processus d'accrétion et les impacts proto-planétaires, détermine leur état chimique et donc leurs dynamiques actuelles. La compréhension de l'émergence des planètes à partir du disque solaire primitif, relie les observations détaillées du système solaire éloigné avec différents degrés d'évolution, en particulier l'observation des exemples annexes, et les mesures isotopiques en haute résolution de la composition des chondrites, le développement initial des groupes de planètes. C'est là que les visions du monde et les approches des astro- et géosciences se rencontrent.
L’accrétion des objets qui ont formé la terre, l'impact de la formation de la Lune, la nature et la durée d'un océan de magma, la formation du cœur de la terre, l'apparence du champ magnétique terrestre, la convection du manteau primitif et l'émergence des premiers océans, de l'atmosphère et des fragments de continents, l'effet du violent bombardement tardif, l'émergence de la vie, la croissance du coeur interne, la naissance des plaques tectoniques sont tous des événements clés dans l'histoire de la terre primitive au cours de ces 2 premiers milliards d'années, qui ont laissé de rares mais précieuses traces que les modernes géosciences sont de plus en plus à même capables de découvrir et de révéler. L'histoire primitive de la terre n'a pas été un « long fleuve tranquille » mais a été ponctuée d'événements catastrophiques séparés de période où les règles du jeu pouvaient changer, avec l'émergence de nouveaux milieux et structures après chaque révolution. Cette nouvelle conception d'une évolution non linéaire avec des phases de changement est cohérente avec les progrès d’une physique non linéaire et la théorie du chaos. Il y a eu un « avant » et un « après », avec souvent des caractéristiques très différentes, pour ce qui est de l'apparence de nombreux éléments mentionnés ci-dessus.
La recherche consiste ici à localiser les témoignages sur ces périodes primitives, collectant les rares mesures et exemples sur le terrain, les analysant avec les techniques d'imagerie moderne les plus sophistiquées, géochimie des isotopes, minéralogie dans les conditions extrêmes de pression et de température, comme cela commence à être mis en œuvre sur les carottes en Australie et en Afrique du Sud qui ont plus de 2,7 milliards d'années. Parce que nous avons besoin de remonter plus loin encore dans le passé, jusqu'aux premiers milliards d'années de l'histoire de la terre, nous devons repousser les limites de résolution de nombreux instruments et aussi améliorer notre compréhension de la physique fondamentale des principes de la chimie et même de la biologie, et de produire quand cela est nécessaire des modèles numériques efficaces de quantités massives de données.
Mais le présent et le passé sont des clés réciproques, et la compréhension du passé lointain de la terre requiert une meilleure compréhension des processus qui sont encore aujourd'hui actifs sur terre. Ceci est par exemple le cas pour la subduction active des plaques, une cause de dangereux et puissants tremblements de terre ou d'éruptions volcaniques, mais aussi l'opérateur clé permettant la formation de la croûte granitique, qui est le précurseur des fragments continentaux qui généralement subsistent au-dessus du manteau, pour former les plaques continentales. Un exemple est la subduction des plaques américaines sous les plaques caribéennes, formant l'arc actif des Antilles. Les volcans actifs fournissent leurs propres laboratoires ou une grande part de nos tentatives scientifiques peuvent être testées. Les processus de formation des roches, de l'interaction des roches liquides, de l'altération et de l'érosion, et l'absorption chimique dans les océans du globe peuvent être étudiée près des trois observatoires volcanologiques de la Martinique, de la Guadeloupe et de Montserrat, trois volcans cousins (que nos équipes observent continuellement) aux différentes étapes du cycle de leur vie volcanique. Ceci nous conduit à une autre sorte de catastrophe, avec des conséquences potentiellement dangereuses pour les populations locales réduisant pour nous écart entre la recherche fondamentale et les applications dans la forme de protection pour les populations locales et le conseil aux autorités.
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