Astrophysique, Instrumentation, Modélisation

De récentes études de cosmochimie montrent que notre système solaire a subi lors de sa formation une inexpliquée et importante disparition de matériau solide carboné dans la zone des planètes telluriques, rendant selon certaines études, ces planètes plus propices à l’apparition de la vie. L’étude des disques protoplanétaires est déterminante pour comprendre la formation des planètes ainsi que les phases précoces du Système Solaire. Parmi les différents matériaux solides, la matière carbonée est particulièrement importante en raison de son interaction avec le rayonnement, qui influe sur la structuration des disques, ainsi que pour sa contribution à la composition des planètes qui impacte leur dynamique interne et potentiellement leur habitabilité. L’instrument MATISSE au VLTI offre pour la première fois la possibilité d’observer les poussières carbonées dans les disques aux plus petites échelles spatiales (~ 0.1-10 unités astronomiques). La combinaison de ces données avec les données d’instruments comme VLT/VISIR, NaCo, SPHERE, ERIS et de VLTI/PIONIER, GRAVITY, ALMA et JWST permettra d’obtenir une cartographie à toutes les échelles de cette matière carbonée comparée à la distribution des poussières silicatées. Afin de lever les dégénérescences dans la modélisation de l’émission des disques, l’espace des paramètres permettant de décrire la morphologie des régions internes sera d’abord déterminé par ajustement de modèles analytiques. Les réservoirs de matière solide carbonée seront ensuite déterminés en utilisant un modèle complet de transfert radiatif. Le processus de modélisation considère en particulier un modèle de poussières physiquement auto-consistant appelé THEMIS, développé par les proposants, et qui inclut silicates et particules carbonées. Une analyse numérique va permettre de prendre en compte la distribution en taille et la répartition des particules dans la direction verticale au plan du disque, via le code PHANTOM, de façon à relier les observations de l’atmosphère des disques avec leur plan médian. La sublimation des grains ainsi que les effets de photo-destruction des grains attendus dans l’atmosphère des disques seront pris en compte. Les profils radiaux Carbone/Silicium permettront de mettre en regard les systèmes jeunes observés avec les résultats issus de la cosmochimie de notre Système Solaire.

Ce projet de recherche vise à développer des techniques avancées pour l'analyse de vastes ensembles de données provenant des prochains relevés astronomiques, tels que Euclid et LSST. Ces relevés visent à comprendre l'"énergie noire", la force à l'origine de l'expansion accélérée de l'Univers. Ils présentent des défis spécifiques, comme le traitement des objets qui se superposent dans les images profondes, afin de mesurer le cisaillement gravitationnel et les décalages vers le rouge photométriques. L'équipe exploitera des techniques d'apprentissage automatique, en se concentrant particulièrement sur les architectures innovantes de réseaux neuronaux, l'apprentissage profond probabiliste et les pipelines d'analyse probabiliste. Ces techniques permettront de traiter efficacement des ensembles de données de plusieurs pétaoctets, avec des analyses combinées multi-instruments, multi-couleurs et au niveau du pixel.

De nombreuses questions fondamentales en astrophysique dépendent de notre connaissance des galaxies de faible masse, qui constituent le type le plus répandu dans l'Univers. Les galaxies naines à formation d'étoiles doivent jouer un rôle important dans la réionisation cosmique et leurs analogues dans l'Univers proche incluent les galaxies les plus primitives (extrêmement pauvres en métaux) connues à ce jour, fournissant des laboratoires inespérés pour sonder les mécanismes de rétroaction - y compris d'objets compacts - et la formation d'étoiles dans des environnements qui peuvent ressembler à ceux des galaxies jeunes. Pour comprendre la formation d'étoiles dans ces environnements, il est crucial de connaître les mécanismes de rétroaction qui régulent la capacité du gaz à se refroidir, à se fragmenter et à s'effondrer. Or, le couplage entre les sources énergétiques et le milieu interstellaire (MIS) produit une multitude de traceurs qui peuvent être interprétés grâce à des diagnostics empiriques ou à des modèles complexes qui décrivent la distribution complexe de la matière et des sources énergétiques, y compris à partir d'observations intégrées non résolues spatialement. Parmi les divers mécanismes énergétiques, l'ionisation et le chauffage par des sources ultralumineuses en rayons X sont particulièrement efficaces dans le MIS relativement "transparent" des galaxies primitives. Les futures observations profondes en rayons X seront difficiles, mais les observations existantes des galaxies proches n'ont pas encore été exploitées de manière exhaustive, en incluant les contreparties radio ainsi que l'absorption dans le MIS et les nombreuses signatures correspondantes. La majeure partie de l'émission de rayons X mous, qui contient des informations précieuses sur la nature et les propriétés des objets compacts, est en effet absorbée par le MIS, dont l'émission fournit un moyen indirect de recouvrer les propriétés des sources X. Il est ainsi possible d'examiner les propriétés des objets compacts dans les relevés actuels et futurs pour lesquels aucune mesure de rayons X et/ou de radio ne sont/seront disponibles, y compris les galaxies jeunes avec le télescope James Webb (JWST). Nous proposons d'assembler une base de données complète des signatures du MIS dans les galaxies les plus pauvres en métaux de l'Univers proche afin d'examiner les propriétés du MIS ainsi que la nature et l'influence des sources énergétiques qui ont un impact sur la formation d'étoiles, l'ionisation et le chauffage du milieu interstellaire et intergalactique, et plus généralement l'évolution des galaxies. Des observations multi-longueur d'onde, des modèles puissants du MIS et des outils statistiques sont les trois piliers de notre projet. Les signatures des sources énergétiques se trouvent dans différents domaines de longueur d'onde, et nous avons à notre disposition plusieurs programmes d'observations. Les modèles sont quant à eux essentiels pour déduire le champ de rayonnement X intrinsèque et pour considérer des géométries du MIS réalistes. Notre projet établira une nouvelle référence méthodologique et observationnelle pour les futures observations JWST de galaxies primitives, que nous ingérerons mais aussi proposerons pendant la durée du projet. De plus, nous fournirons à terme une méthode qui pourra être utilisée avec les observations du JWST à grand redshift. Globalement, notre projet offre une nouvelle perspective sur l'importance des galaxies primitives dans le contexte de la réionisation de l'Univers et de la formation des premières étoiles en utilisant des galaxies proches comme laboratoires, pour aborder les questions fondamentales suivantes: Quelle est la population des sources de rayons X dans les galaxies primtives? Quels sont les principaux mécanismes de rétroaction qui affectent la formation d'étoiles dans de tels environnements? Les galaxies primitives sont-elles responsables de la réionisation cosmique?

La météorologie de l’espace devient un enjeu de plus en plus critique au sein de nos sociétés technologiques croissantes, que ce soit pour les applications militaires ou pour la société civile. Avec des effets s’appliquant aux satellites, aux communications et aux installations électriques, et de potentiels dégâts s’élevant à plusieurs trillions de dollars en cas d’événements extrêmes, il est plus urgent que jamais d’être en mesure de prédire l’activité solaire. Or actuellement, la France n’est ni en mesure de s’adapter aux périodes d’activité les plus intenses propices aux événements les plus perturbateurs, ni même en mesure de quantifier la fiabilité des prévisions qu’elle reçoit et produit. Le projet WindTRUST veut précisément combler ces lacunes et permettre à la France de conserver un positionnement et une souveraineté stratégique internationale sur les risques spatiaux. Il repose sur l’amélioration des simulations numériques de prévisions, et en particulier le premier maillon de la chaîne de simulations, dédié à l’atmosphère magnétique du Soleil et à son vent. Ces codes produisent des données essentielles pour tous les modèles s’intéressant à l’environnement spatial de la Terre, et leurs enjeux physiques sont souvent mal compris des prévisionnistes et des spécialistes de la Terre. Ce projet s’appuie sur deux axes innovants et cruciaux : améliorer la capacité des modèles coronaux à gérer les événements les plus extrêmes à l’aide de mécanismes d’assimilation de données, et créer un pipeline de validation permettant pour la première fois au monde de fournir un score de fiabilité automatique pour chaque prévision. Ceci permettra aux utilisateurs militaires et industriels de pouvoir évaluer la crédibilité de chaque prévision qu’ils reçoivent, et permettra à la communauté scientifique d’évaluer ses forces et points de renforcement nécessaires pour répondre aux besoins opérationnels de la France. Il produira plusieurs délivrables qui seront portés à un niveau de TRL 4 (version alpha avec un démonstrateur en laboratoire), qui pourront ensuite être intégrés au sein du VSWMC (Virtual Space Weather Modeling Center) de l’ESA pour renforcer le niveau de fiabilité des prévisions européennes. Les produits en question seront : un modèle coronal avec assimilation de données capable de se connecter jusqu’à la Terre et de gérer les prévisions des événements les plus variables ; une version opérationnelle du modèle Wind Predict-AW qui est à ce jour le modèle coronal français le plus performant ; un pipeline de validation entièrement automatisé et applicable à tous les codes coronaux utilisés au sein du VSWMC. Ils seront développés grâce au financement d’une thèse et d’un contrat post-doctoral. L’encadrement se fera à l’AIM au CEA Paris-Saclay. La coordinatrice du projet est la Dr. Barbara Perri, une experte en météorologie de l’espace recrutée spécifiquement sur ce sujet par l’AIM, co-leader de l’équipe ISWAT de validation des modèles de vent solaire. Les partenaires du projet sont le Dr. Allan Sacha Brun de l’AIM (expert du Soleil dans le GCME et co-créateur de Wind Predict), le Dr. Antoine Strugarek de l’AIM (co-développeur du code Wind Predict et expert de la prévision des éruptions solaires) et le Dr. Victor Réville (développeur de Wind Predict-AW et expert en outils de météorologie de l’espace pour le centre STORMS à Toulouse). Ces codes seront ainsi suffisamment matures pour être intégrés aux futures prévisions quotidiennes de l’ESA, et seront mises à disposition de tous les partenaires français militaires et industriels agréés qui souhaiteraient en avoir l’usage. Ce projet est particulièrement opportun du fait de l’approche du maximum d’activité solaire vers 2025, et de la menace des blackouts radio et GPS qui vont en découler. Ces travaux ont par ailleurs fait l’objet d’une présentation au Innovation Defense Lab à Balard le 10 juillet 2023 devant un public militaire.

La nature de l’énergie noire est une question centrale de la cosmologie moderne : est-ce une constante cosmologique, une nouvelle composante fondamentale aux propriétés exotiques, ou la conséquence d’une modification de la gravité ? Le but du projet ProGraceRay est de construire des tests robustes de la gravité aux échelles cosmologiques tenant compte de l’impact de la physique relativiste de la lumière sur la distribution apparente de la matière. En effet, les photons ne se propagent pas en ligne droite et leur énergie n’est pas uniquement gouvernée par l’expansion de l’Univers homogène. Ainsi, les positions angulaires, formes, tailles et luminosités des sources sont changées par les effets de lentilles gravitationnelles faibles (WL). De même, la position radiale des galaxies déduite de leur redshift est perturbée ce qui modifie la distribution apparente des galaxies (distorsions de l’espace des redshifts ou RSD). Ce qui peut être vu comme du bruit s’avère en réalité du signal car ces effets sont porteurs d’informations cosmologiques : métrique le long de la ligne de visée (WL) et vitesses/potentiels des sources (RSD). Les études actuelles reposent sur de nombreuses approximations, pourtant les effets relativistes non-triviaux (habituellement négligés) peuvent contribuer à hauteur de 1 à 10% pour les analyses standards de WL et RSD, de 1 à 50% sur les corrélations entre densité et cisaillement et même à hauteur de 100% sur le dipôle de la fonction de corrélation-croisée des galaxies. Par ailleurs WL et RSD sont habituellement étudiés séparément dans deux communautés différentes. Cependant, dans le cadre des théories de gravité modifiée (MG) combiner WL et RSD est une nécessité afin d’extraire les deux potentiels de la métrique. Le projet ProGraceRay s’appuie sur l’expertise complémentaire de ses participants: WL&RSD, échelles cosmologiques&galactiques, théorie&simulations, statistiques&systématiques. Nous proposons de réaliser la plus grande suite de simulations N-corps au monde de formation des structures avec MG grâce au code RAMSES. Ces simulations cosmologiques calculeront la distribution précise de la matière dans l’univers pour un vaste espace de théories de MG. Les halos de matière noire seront alors peuplés avec des galaxies en se calibrant directement sur des simulations hydrodynamiques avec MG permettant ainsi d’obtenir des prédictions ab-initio précises. Au lieu d’utiliser les approximations usuelles, nous utiliserons notre algorithme unique qui calcule la trajectoire fine de milliards de rayons lumineux au sein des cônes de lumière extraits des simulations N-corps en intégrant directement les équations géodésiques. Les catalogues synthétiques de galaxies ainsi produits contiendront pour la première fois tous les effets relativistes en champ faible, pour différents modèles de MG et pour des volumes commensurables à ceux couverts par les relevés à venir : du régime linéaire au régime non-linéaire de formation des grandes structures. ProGraceRay permettra d’étudier l’impact des effets relativistes et de la MG sur les statistiques à 1, 2 et 3 points de la distribution de galaxies ainsi que sur celles de la convergence et du cisaillement. Ces effets seront comparés aux systématiques observationnelles afin de définir les meilleures stratégies pour les extraire. En s’appuyant sur ces catalogues uniques, nous développerons des modèles analytiques et émulateurs que nous fournirons à la communauté. Ces outils permettront d’obtenir des prédictions précises et rapides des fonctions de corrélations relativistes en MG. Un tel travail ne peut être réalisé que grâce à l’aide de postdoctorants et de moyens de calculs/stockage supplémentaires. L’impact attendu est important puisque les outils développés pourront être directement utilisés dans les grands consortia observationnels afin de contraindre la nature de l’énergie noire et de la gravité grâce aux grands relevés de galaxies imminents (DESI, Euclid, LSST).

La formation et l’évolution des galaxies est l’un des principaux sujets actuels de l’astrophysique extragalactique. De grandes avancées ont été réalisées dans l’étude observationnelle des propriétés des galaxies jusqu’au plus haut décalage spectral vers le rouge (redshift) et JWST est en train d'apporter un progrès énorme dans l’étude du gaz chaud des galaxies à grand redshift. Néanmoins les composantes du gaz neutre demeurent difficiles à explorer. Ce gaz est une composante principale de ces galaxies et il peut être détecté par son absorption de la lumière d'une source brillante d'arrière-plan. Les sursauts gamma longs (LGRBs) sont un outil très efficace pour le dévoiler grâce à la détection de raies d’absorption du gaz de leurs galaxies hôtes dans les spectres de leurs rémanences, indépendamment de la luminosité des galaxies hôtes elles-mêmes. A l’ère du JWST, les LGRBs restent des outils uniques permettant de sonder en détail les propriétés du gaz neutre et de la poussière des galaxies faibles, qui dominent en nombre la population des galaxies à grand redshift. De plus, les LGRBs étant des phénomènes transients, une fois l'émission rémanente disparue, il est possible de détecter aussi l'émission du gaz ionisé de leur galaxies hôtes. Jusqu'à maintenant la limite de l'utilisation de LGRB pour ce type d'étude est le nombre limité d'observations spectroscopiques des rémanences de LGRB a z>2-3 et de leurs galaxies hôtes. Dans ce projet, nous comptons augmenter significativement cette statistique grâce à la mission spatiale sino-français SVOM, dédiée à la détection des GRBs, et à son suivi-sol. Nous effectuerons et utiliserons des observations spectroscopiques de rémanences de LGRBs détectés par SVOM pour explorer les propriétés des galaxies de faible masse à grand redshift, afin de répondre aux questions suivantes : - Quelles sont les propriétés du gaz neutre du milieu interstellaire (ISM)? Comment évoluent-elles ? - Quelles sont les propriétés de la poussière ? Comment évoluent-elles ? - Comment la formation d’étoiles est-elle liée à ces propriétés ? - Comment ces galaxies impactent-elles la Réionisation ? Le projet est axé sur trois blocs de travail : A) les abondances, la métallicité et la cinématique du gaz neutre de l'ISM; B) la poussière dans les galaxies à grand redshift ; C) la combinaison des propriétés du gaz absorbant neutre avec celles du gaz ionisé. Nous exploiterons les résultats observationnels aussi dans le contexte des simulations cosmologiques de galaxies. Ce projet permettra aussi de déterminer le redshift des GRB détectés par SVOM, information essentielle pour les études concernant la physique des GRBs. Nos résultats sont essentiels pour le retour scientifique et l'impact de la mission SVOM, qui représente un effort important de la communauté astrophysique française.

Le projet HZ-3D-MAP vise à aborder les questions fondamentales de la cosmologie à travers de nouvelles observables, rendues accessibles grâce à l'imagerie moderne et aux grands relevés spectroscopiques. Ce projet apportera un éclairage nouveau sur les questions clés suivantes. Quelle est l'origine de l'expansion primordiale de l'Univers appelée inflation ? Quelles sont les propriétés de la toile cosmique au fil du temps ? Quelle est la distribution du gaz dans le milieu intergalactique et autour des galaxies ? Notre projet est conçu pour cartographier un grand volume de l'Univers avec une densité suffisante de galaxies de type Lyman-break (LBG), pour un décalage vers le rouge, (redshift) de 2.1 <z <3.5. Cet échantillon sera utilisé pour travailler sur trois projets principaux : 1) Nous mesurerons les fluctuations de densité à très grande échelle, nécessaires pour explorer l'inflation primordiale à travers la recherche de non-gaussianités. Nous étudierons le clustering des LBG dans le spectre de puissance angulaire. 2) Nous cartographierons l'univers lointain en utilisant l'absorption de l’hydrogène dans la forêt Ly-alpha détectée dans le spectre des LBG jusqu'à des échelles de 2Mpc. Cette tomographie à 3D fournira aussi des catalogues de vides et de proto-amas. 3) L'étude des paires proches constituées par une galaxie LBG et la forêt Ly-alpha d’un quasar permettra d’étudier la relation entre le gaz et les galaxies, un ingrédient clé pour notre compréhension de la formation des galaxies et pour étudier le milieu dit circum-galactique (CGM). Nous sélectionnerons les LBG à l'aide des catalogues photométriques du CFHT, le Large Area U-band Deep Survey (CLAUDS), le Deep Euclid U band Survey (DEUS) et le Canada-France Imaging Survey (CFIS). CLAUDS est déjà terminé et le CFIS est réalisé à plus de 70%. Le relevé spectroscopique DESI, mené auprès du télescope Mayall de 4 mètres à Kitt Peak, fournira à la fois les redshifts des LBG, et leur forêt Ly-alpha. DESI peut observer simultanément 5000 objets sur 8 degrés carrés, de l'UV au NIR, avec une résolution spectrale moyenne, R~4000. Il est parfaitement adapté aux objectifs de cette proposition. Le relevé principal de DESI a commencé en mai 2021 pour une durée de 5 ans. Au cours de la première année de HZ-3D-MAP, le catalogue profond CLAUDS nous permettra de finaliser la sélection des LBG et, combiné avec DESI, de mesurer les premières cartes 3D. Ensuite, CFIS, qui fournit une surface plus étendue, chevauchant la couverture du ciel de DESI, sera utilisé pour toute la surface de HZ-3D-MAP. Nous prévoyons trois relevés complémentaires : 1) Un large relevé photométrique de 9,000 deg. carré pour la mesure du clustering des LBG avec la fonction de corrélation angulaire. Nous visons une densité de cibles de 500 LBG par deg. carré pour r<23.8Les cibles LBGs sont sélectionnées avec le catalogue photométrique CFIS. 2) Un relevé spectroscopique profond de 100 degrés carrés pour la tomographie de l'IGM en utilisant la forêt Ly-alpha des LBG. Nous observerons un échantillon dense de 500 LBG par deg. carré pour r<23.8. Pour obtenir un rapport signal/bruit de l'ordre de 2 par pixel de 1Mpc, nous utiliserons un temps d'exposition pour DESI d'environ 5 heures. 3) Un relevé spectroscopique clairsemé, sur la couverture du ciel de DESI chevauchant l'empreinte CFIS. Pour les études CGM, nous attendons ~5 paires de (LBG-quasar) avec une petite séparation angulaire (<20-30''). Nous allons structurer cette demande autour de trois activités complémentaires, chacune animée par un thème scientifique (le clustering à très grande échelle, la tomographie 3D et l'interaction entre galaxies et gaz). Le financement de l'ANR apportera principalement au projet les ressources nécessaires pour recruter trois post-doctorants, pour financer les missions aux US et organiser une conférence sur la cartographie de l'Univers lointain.

Notre étoile est à la source de spectaculaires tempêtes spatiales. En particulier, les éjections coronales de masse sont des structures magnétiques géantes qui s'étendent et se propagent dans l'héliosphère. Elles peuvent impacter l'environnement spatial des planètes du système solaire, et perturber fortement notre magnétosphère. Afin de les comprendre, il nous faut aujourd'hui faire le lien entre la surface solaire, la couronne solaire, et l'héliosphère. C'est le but du projet STORMGENESIS. Nous allons caractériser le déclenchement, la propagation, et la connectivité des tempêtes solaires à l'aide de simulations numériques originales et ambitieuses combinées aux observations multi-sondes les plus récentes. Le projet STORMGENESIS permettra ainsi de comprendre le fonctionnement des évènements éruptifs solaires les plus importants dans le contexte du nouvel age d'or pour les observations héliosphériques grâces à Parker Solar Probe et Solar Orbiter.

Plus d’un siècle après leur découverte, l’origine des rayons cosmiques est encore une question essentielle pour l’astrophysique des hautes énergies. La composition chimique des rayons cosmiques est dominée par des protons, pour des énergies de particule inférieures à ~1 PeV, alors que les noyaux plus lourds deviennent importants à des énergies plus élevées. Ceci implique que les sources des rayons cosmiques galactiques soient des PeVatrons de protons, tenant compte aussi de l’indication qui place la transition de rayons cosmiques galactiques à extragalactiques à des énergies qui dépassent largement le PeV. Le but de ce projet est d’identifier les sources des rayons cosmiques à l’énergie du PeV à travers l’observation de multi-messagers (rayons X, rayons gamma, neutrinos) par les instruments présents et futurs.

Le magnétisme galactique et l’étude du fond diffus cosmologique en polarisation sont deux grands thèmes de recherche très actifs de l'astrophysique et de la cosmologie. Le projet BxB a l'ambition de réaliser des avancées majeures dans ces deux domaines en rapide évolution. En combinant observations (polarisation de la poussière, de l'émission synchrotron et rotation Faraday), simulations numériques et modélisation théorique, nous proposons de (1) construire le premier modèle 3D du champ magnétique ordonné dans le voisinage solaire, (2) d'obtenir une description statistique du milieu interstellaire (MIS) magnétisé, et (3) d'établir sur une base physique un modèle des avant-plans galactiques polarisés au fond diffus cosmologique. Un tel modèle est requis pour optimiser la séparation entre les polarisations Galactique et cosmologique, et quantifier les incertitudes dans la recherche des ondes gravitationnelles primordiales. Pour atteindre ces objectifs en temps opportun et dans un contexte compétitif, nous avons élaboré un programme bâti sur une combinaison unique de données et d’expertises. Notre plan de travail innovera l'état de l'art de la recherche sur ces questions dans trois directions. (i) Nous étendrons l'information 3D sur la structure en densité du MIS dans le voisinage solaire dérivée de grands relevés stellaires, y compris le relevé astrométrique de Gaia, à la cartographie du champ magnétique Galactique. (ii) Nous introduirons une nouvelle approche dans l'analyse des données et des simulations numériques, qui nous permettra de décrire de manière statistique la hiérarchie de structures, cohérentes et anisotropes, qui caractérisent le MIS magnétisé. (iii) Nous établirons un lien entre l'astrophysique des avant-plans polarisés et la quête des modes B primordiaux du CMB, un défi souligné dans la feuille de route française pour la science du CMB. Le projet BxB aura un impact durable sur l’étude du magnétisme Galactique, et une contribution essentielle à une grande question en cosmologie et physique fondamentale.

L'observation du ciel aux longueurs d'onde millimétriques et submillimétriques a considérablement contribué à la compréhension d'une grande variété de phénomènes astrophysiques, allant de la formation des étoiles dans notre Galaxie, à la formation et l'évolution des structures dans l'Univers, et la mesure des paramètres cosmologiques. Après les satellites Planck et Herschel, l'avènement d'une caméra millimétrique capable de mener des observations combinant une grande résolution angulaire, une sensibilité élevée et un grand champ de vue, permettra de révéler les détails de la formation et de l’évolution des structures dans l'Univers. La caméra NIKA2 est un instrument de nouvelle génération pour l'astronomie millimétrique. Elle fonctionne à 100 mK et sera installée en Juin 2015 au télescope de 30 m de l'IRAM (Institut de radioastronomie millimétrique). NIKA2 va observer le ciel à 150 et 260 GHz dans un large champ de vue (6,5 minutes d'arc) à haute résolution angulaire (nominalement 18 et 12 secondes d'arc, respectivement), en polarisation à 260 GHz et avec une excellente sensibilité (20 et 30 mJy.s1/2, respectivement). Avec sa grande vitesse de cartographie (5000 détecteurs), NIKA2 va révolutionner notre vision de l'Univers froid. Aucun autre instrument existant ou en projet pour les années à venir ne pourra rivaliser avec NIKA2 en termes de sensibilité, résolution angulaire et de temps d’observation disponible. Le consortium NIKA2 rassemble 14 laboratoires (France, Royaume-Uni et Italie) dans une collaboration internationale qui a remporté en 2011 un appel d'offre lancé par l’IRAM pour la prochaine génération de caméra grand champ au télescope de 30 m. La première phase (2011-2015) du projet a été partiellement financée par l'ANR. Elle concerne la conception, la construction et les tests de la caméra NIKA2. Cette phase est achevée et la caméra prend actuellement les premières images en laboratoire dans les deux bandes, y compris le canal de polarisation. Le calendrier de NIKA2 pour l'installation en Juin 2015 au 30 m a été approuvé par l'IRAM. Pendant cette première phase, une caméra prototype (NIKA1: bi-bandes avec 300 KIDs) a également été construite et installée au télescope de 30 m. Les deux campagnes d’observation ont permis d’améliorer ses performances et d’atteindre d’ores et déjà les objectifs de NIKA2 en termes de sensibilité. La deuxième phase (2016-2020) concerne l'exploitation scientifique de cet instrument voué à être le leader mondial en astronomie millimétrique au sol. En effet, 1300 heures ont été attribuées au consortium NIKA2, i.e. le plus grand programme de temps garanti jamais donné par l'IRAM à une unique collaboration. Notre projet NIKA2Sky est centré sur les trois grands programmes menés par des instituts français, qui ont chacun obtenu 300 heures d'observation. Le programme scientifique est dédié à l'étude de la structure interne des amas de galaxies par effet Sunyaev Zel’dovich, de la formation des étoiles dans notre Galaxie, en étudiant le rôle du champ magnétique à l'échelle du dixième de parsec, et dans les galaxies lointaines, en détectant des centaines de galaxies infrarouges (dont plus de 100 à z>3.5) durant leurs épisodes majeurs de formation d'étoiles. Nous demandons un soutien financier pour recruter 4 post-doctorants, et organiser des réunions de collaboration ainsi qu'une conférence internationale afin d'assurer une grande visibilité aux résultats obtenus avec NIKA2. Ce soutien permettra de capitaliser nos efforts instrumentaux, financés en partie par l'ANR, qui ont conduit à la construction d'un instrument unique et leader en astronomie millimétrique.

Un défi vieux de plus d’un siècle en astrophysique est d’expliquer comment les rayons cosmiques sont accélérés à des énergies relativistes et comment ils diffusent dans leur galaxie hôte. Des progrès notables ont été réalisés sur leur production dans les restes de supernova, mais la découverte récente en rayons gamma, avec le satellite Fermi, d'un cocon de jeunes rayons cosmiques de haute énergie dans la superbulle Cygnus X a révélé une importante nouvelle facette du problème: quel est l'impact sur l’accélération (ou réaccélération) des particules et leur diffusion du fort niveau de turbulence générée dans le milieu de la superbulle par l’activité des nombreuses étoiles massives? Cette phase turbulente peut-elle modifier notablement notre compréhension du transport des rayons cosmiques dans la Galaxie puisque la plupart des sources de rayons cosmiques devraient se trouver dans des régions actives de formation d'étoiles? Dans ce projet, nous proposons de comparer deux superbulles, la jeune et bouillonnante bulle de Cygnus X, vieille de quelques millions d'années, et la superbulle un peu plus âgée et calme d’Orion-Eridanus, proche du Soleil. Nous proposons de combiner nos expertises sur le transport/accélération des rayons cosmiques, sur les observations gamma des rayons cosmiques, et sur les observations multi-longueurs d'onde des conditions interstellaires qui existent à l’intérieur de ces bulles, afin de tester un nouveau mécanisme d'accélération et d’étudier l'impact de la turbulence de ces régions sur différents diagnostics observationnels sur les rayons cosmiques, à grande échelle dans la Galaxie et localement dans la Superbubble Locale.