Principaux axes de recherche
L’astrophysique nécessite de faire le lien entre la physique, la chimie, les mathématiques, les géosciences, les sciences naturelles, les sciences de l’ingénieur, jusqu’aux sciences de la pensée. Ses avancées résultent de la confrontation d’observations toujours plus précises et sensibles à des modèles numériques ou théoriques, toujours plus complexes. Ceci mobilise un ensemble de technologies et d’expertises variées : instruments, traitement de données, simulation, théorie, expérimentation de laboratoire.
Notre communauté a su développer depuis 2012 et grâce au soutien de la région une expertise technologique reconnue dans les trois grands volets de l’instrumentation scientifique : chaînes de détection multi-messagers, expériences de laboratoire et numérique. Afin de maintenir et renforcer son leadership, le DIM ORIGINES devra poursuivre ses développements innovants en collaborant de plus en plus étroitement avec le tissu exceptionnel de PME, start-ups et grands groupes de la région francilienne.
Chaînes innovantes de détection
Le développement des grands instruments sols et spatiaux se traduit par une implication forte de nos laboratoires dans le développement de chaînes de détection multi-médiateurs (photons à toutes les longueurs d’ondes, neutrinos, rayonnements cosmiques, ondes gravitationnelles, mesures in situ dans le système solaire). Il est ici essentiel de :
- favoriser l’émergence de nouvelles technologies de rupture en soutenant des R&D qui permettent à nos équipes de se positionner comme partenaire majeur des grands projets de nos disciplines,
- soutenir les positions de leadership de nos communautés dans ces projets en leur donnant les moyens financiers d’investir dans des équipements lourds préparatoires ou contribuant directement à la construction des instruments,
- soutenir l’exploitation scientifique des données issues de ces instruments, ce dernier volet reste le parent pauvre des financements nationaux.
Nos laboratoires sont leaders dans le développement de plusieurs missions spatiales clés des années à venir. La participation du CNES à la gouvernance du DIM permettra de renforcer son rôle fédérateur dans le domaine spatial en coordonnant les financements. Nous soutiendrons les moyens nécessaires au développement des missions spatiales mais aussi de leur segment sol .
Le DIM ORIGINES pourra également soutenir des propositions de nanosatellites portés par nos centres spatiaux (CENSUS à l’Observatoire de Paris-PSL, Pôle Spatial à UP, CurieSat à SU, Centre spatial de l’UPEC). Cette filière du NewSpace, dans laquelle plusieurs de nos laboratoires sont engagés (LESIA, LATMOS, IPGP, APC, IMCCE, LISA...) est porteuse d’innovation technologique et est très formatrice (ingénierie concourante, travail d’équipe) et attractive pour les étudiants.
Deux nano-satellites ont déjà été lancés par nos laboratoires (PicSat au LESIA et UVSQ-Sat au LATMOS) et beaucoup d’autres sont en gestation, comme CASSTOR qui sera le premier spectropolarimètre UV haute-résolution à large bande et étudiera les champs magnétiques et les environnements des étoiles chaudes, ou Meteorix qui effectuera la détection et la caractérisation des météores et débris spatiaux. Ces projets sont autant d’opportunités en termes de valeur ajoutée scientifique, d’innovation (démonstrateurs technologiques), et de transfert de technologie public-privé.
Les développements technologiques nécessaires au développement de chaînes de détection performantes constituent un potentiel important en matière de transferts technologiques avec l’industrie. Depuis 2016, le DIM ACAV+ a financé le développement de plusieurs plateformes expérimentales collaboratives avec l’industrie (RF/optique à l’IAS, CYRODET au CEA, PARADIGME à l’IJCLab), qui permettent la caractérisation des différents composants et détecteurs dans des conditions extrêmes, et pour lesquelles des applications industrielles sont prévues (par ex. : imagerie médicale en cancérologie pour la salle grise PARADIGME dédiée aux détecteurs gamma, ou cryogénie sub-Kelvin pour le développement des détecteurs MKIDs). Notre objectif est de poursuivre le développement de telles plateformes en collaboration avec les entreprises de la région.
Vue d’artiste du nanosatellite PicSat en orbite autour de la Terre.
Crédits LESIA -Observatoire de Paris-PSL Thomas Pesquet ESA-NASA
Expérimentation de laboratoire
La compréhension de l’infiniment grand s’appuie sur la connaissance des propriétés physiques de la matière sur une large gamme de densités et de températures. Les expériences de laboratoire recouvrent de nombreux champs disciplinaires et méthodologiques comme ceux de processus géologiques, de la matière condensée à la physique atomique et moléculaire jusqu’aux calculs de chimie théorique et la modélisation d’édifices complexes comme la matière pré-biotique.
Les laboratoires du DIM ORIGINES sont à la pointe du développement d’expériences qui permettent d’étudier, entre autres, les processus d’érosion en milieu extrême, la matière en conditions extrêmes, la dégradation et l’identification de biosignatures passées et/ou extraterrestres. Les développements technologiques associés conduisent à des applications dans de nombreux domaines (santé, sciences de l’environnement).
Le DIM ACAV+ a par exemple permis, en co-développement avec Saint-Gobain, l’installation de la nouvelle source d’ions oxygène NANOTRACES (source RF plasma) sur l’instrument national NanoSIMS (MNHN), qui permet la mesure en très faible teneur d’un grand nombre de métaux et de leurs isotopes en prévision d’applications industrielles. ALTO (IJCLab) propose par ailleurs une grande variété de faisceaux de particules allant des ions légers et lourds jusqu’aux neutrons et gamma, et se dote actuellement d’une installation dédiée à l’industrie. Plusieurs entreprises (notamment dans les domaines du spatial et de l’aéronautique) ont manifesté leur intérêt dans le projet de développer une telle plateforme en IdF.
Échantillons de l’astéroïde Ryugu rapportés par la mission de la JAXA Hayabusa2 . Loizeau et al. IAS 2023
Le numérique à l’ère du Big Data
Les simulations numériques et le calcul haute performance (HPC) sont devenus un outil fondamental de l’astronomie. Nos équipes déploient des codes HPC complexes sur les plus grands calculateurs, y compris ceux du GENCI (par ex. à l’IDRIS ou au TGGC) ou de PRACE au niveau européen. Le DIM ACAV avait soutenu la réalisation de telles simulations numériques en cosmologie (projets DEUS et HORIZON) qui ont porté nos équipes au meilleur niveau international. Les financements du DIM ACAV+ ont par ailleurs doté et modernisé les laboratoires franciliens avec plusieurs plateformes HPC complémentaires qui vont leur permettre de maintenir leur leadership.
Nos innovations logicielles nous confèrent une très grande visibilité dans le traitement des problèmes complexes. Les codes astrophysiques, très exigeants, sont ainsi souvent utilisés afin de tester les performances des nouveaux calculateurs HPC. Citons par exemple le cas des modèles de planètes géantes qui nécessitent du calcul parallèle intensif et qui sont utilisés pour tester les modèles de réchauffement climatique dans des conditions extrêmes.
Les besoins continuent de croître et ne font que renforcer la nécessité pour la communauté de se structurer autour de l’accès à des ressources en calcul et stockage communes que le DIM pourra financer. Un enjeu majeur sera de relever le défi de l’analyse des simulations au niveau des laboratoires.
L’arrivée de nouvelles données massives va nécessiter la mise en œuvre de nouvelles techniques relevant les défis liés à leur diffusion, leur stockage et leur préservation. Par exemple, le relevé LSST effectuera pendant 10 ans un relevé de l’ensemble du ciel qui produira 30 To de données par nuit. Le radiotélescope SKA produira lui aussi en une journée un flux de données gigantesque (1 Exabyte).
Grâce au DIM ACAV+, les laboratoires franciliens s’impliquent dans les innovations nécessaires à travers plusieurs projets comme le projet EXASKA (avec Centrale Supélec et Atos BULL) qui étudie comment adapter des codes de traitement du signal actuellement développés pour SKA sur GPU et relever ainsi des défis du calcul HPC.
Le LESIA et Thalès se sont associés pour prototyper un système d’acquisition et de traitement de gros volumes de données en temps réel avec des applications potentielles pour SKA et les futurs radars de l’aviation civile : projet STREAMS – Smart Technologies for Real-time Analytics at Massive Scales.
Il est essentiel de poursuivre ces développements sur le long terme. L’analyse et l’interprétation scientifique de ces données massives constituent également un défi. Tous ces défis devront être menés dans le contexte d’une sobriété numérique accrue, qui vise à réduire l’impact environnemental du numérique en limitant ses usages.
Crédits Sorbonne Université