Astrophysique
et Instrumentation

Le pôle physique des galaxies du DAI étudie la formation, l'évolution et la structure des galaxies à travers les âges cosmiques. Les travaux couvrent un spectre très large — de la dynamique interne des disques galactiques aux mécanismes de rétroaction des noyaux actifs de galaxies (AGN), en passant par la formation des étoiles dans les galaxies à grand décalage spectral. Les équipes exploitent principalement les données des grands relevés multi-longueurs d'onde auxquels l'IFRAS contribue comme partenaire institutionnel.

Un programme structurant porte sur la physique du milieu interstellaire (MIS) dans les galaxies à formation d'étoiles active — cartographie de la distribution et de la cinématique du gaz, modélisation des processus de chauffage et de refroidissement, rôle des champs magnétiques dans la fragmentation des nuages moléculaires. Ces travaux s'appuient sur des observations submillimétrique et radio obtenues avec ALMA et le réseau NOEMA, pour lequel le DAI dispose d'un temps garanti annuel.

Un axe transverse aux disciplines du département porte sur les biosignatures atmosphériques des exoplanètes. En collaboration avec le DOL pour l'instrumentation et le DSVT pour la définition des marqueurs biologiques, le DAI développe des méthodes de spectroscopie de transmission à haute résolution permettant de sonder la composition chimique des atmosphères planétaires depuis l'orbite — une contribution directe à la recherche de la vie dans l'univers.

Le pôle cosmologie observationnelle du DAI contribue aux mesures les plus précises des paramètres cosmologiques — constante de Hubble, densité de matière noire et d'énergie sombre, indice spectral des fluctuations primordiales — en exploitant des sondes complémentaires : les oscillations acoustiques baryoniques (BAO), les lentilles gravitationnelles faibles (weak lensing) et le fond diffus cosmologique (CMB).

L'implication majeure du pôle est sa participation à la mission spatiale Euclid de l'ESA, dont le DAI est l'un des partenaires scientifiques nationaux. Ses chercheurs contribuent à deux des instruments principaux — le photomètre VIS et le spectromètre NISP — et co-dirigent deux groupes de travail scientifiques sur la mesure des BAO et la calibration photométrique. Les données Euclid, qui couvriront un tiers du ciel à une résolution angulaire de 0,18 arcsec, représentent plusieurs pétaoctets par année.

Sur le plan théorique, une équipe travaille sur la cosmologie numérique — simulations N-corps de grande échelle, émulateurs de spectre de puissance par apprentissage automatique, inférence bayésienne des paramètres à partir de relevés de galaxies — fournissant les contreparties théoriques indispensables à l'exploitation des données observationnelles. Ces développements sont réalisés en étroite collaboration avec le DSTI, qui fournit les ressources de calcul du supercalculateur HÉRA-4.

Le pôle dynamique orbitale du DAI développe les modèles mathématiques et les outils numériques permettant de décrire, prédire et optimiser le mouvement des corps naturels et artificiels dans l'espace — des astéroïdes géocroiseurs aux constellations de satellites, en passant par les trajectoires de missions interplanétaires à poussée faible. Ce pôle est l'un des plus transverses du DAI, ses résultats étant directement exploités par les équipes mission de l'IFRAS.

Les travaux fondamentaux portent sur la mécanique céleste de précision — prise en compte des perturbations à longue période, effets relativistes, couplages marée-rotation — pour la propagation d'orbites sur des durées très longues (siècles à millénaires), nécessaires à l'évaluation du risque d'impact des astéroïdes et à la compréhension de la dynamique des résonances dans le système solaire.

Un programme appliqué de première importance porte sur l'optimisation des trajectoires à faible poussée — électrique ou solaire — par méthodes de contrôle optimal et algorithmes évolutionnaires. Ces travaux ont produit des solutions de transfert Terre-Mars avec une réduction de 18 % de la consommation de propergol par rapport aux meilleures trajectoires classiques, résultats directement valorisés dans la conception du programme ARTEMIS-9. Le cluster ORBIT-2 dédié permet de paralléliser massivement ces calculs intensifs.

Le pôle spectroscopie et interférométrie du DAI est la branche instrumentale du département. Il conçoit, réalise et caractérise les instruments spectroscopiques et interférométriques embarqués sur satellites ou déployés en observatoire au sol, en assurant la chaîne complète depuis la définition des exigences scientifiques jusqu'à la qualification en environnement spatial. C'est également ce pôle qui développe les méthodes d'étalonnage et de réduction de données associées.

Les travaux portent sur les spectrographes à champ intégral (IFS) — instruments capables de produire simultanément un spectre pour chaque point d'une image bidimensionnelle — qui sont devenus les outils de référence de l'astrophysique galactique et extragalactique. Le pôle contribue à la conception des spectrographes de prochaine génération pour les observatoires au sol ELT et TMT, en développant notamment des réseaux de diffraction à blaze ultrafin gravés sur SiC.

Un programme de recherche fondamentale porte sur l'interférométrie en amplitude à longue base — technique permettant d'atteindre des résolutions angulaires sub-milliarcseconde impossibles avec un télescope unique — et son application à l'imagerie directe des surfaces stellaires et des disques circumstellaires. En collaboration avec le DOL, le pôle développe les lignes à retard actives et les systèmes de recombinaison qui constituent les pièces maîtresses de ces instruments.