Laboratoire Univers et Théories
Présentation
Le Laboratoire Univers et Théories (LUTH) est une unité mixte de recherche (UMR 8102) du CNRS, de l’Observatoire de Paris et de l’Université de Paris. Le laboratoire regroupe une cinquantaine de personnes dont une petite moitié de chercheurs statutaires (CNRS, Universités, CNAP). L’activité scientifique du laboratoire se concentre essentiellement sur l’étude théorique des systèmes astrophysiques et sur leur modélisation. Une part des activités concerne également le traitement des données des observations à hautes énergies.
Le LUTH est actuellement organisé autour de trois thématiques. Le groupe Cosmologie étudie la formation des grandes structures de l’Univers et en particulier l’influence de la matière noire sur ce processus. L’équipe Phénomènes aux hautes énergies se consacre à la modélisation et à l’observation de objets comme les pulsars ou les noyaux actifs de galaxies. Une partie des activités concerne également la préparation des futurs instruments et la gestion des bases de données liées aux observations. La thématique Relativité et Objets Compacts se propose de travailler sur les différentes situations astrophysiques où la gravité est intense et décrite par la théorie d’Einstein. On pense principalement aux supernovae, aux étoiles à neutrons et aux trous noirs.
Par la diversité des sujets abordés, le LUTH est un laboratoire faisant la part belle à la pluridisciplinarité. Il regroupe des chercheurs aux profils variés venant de l’astronomie, de la physique théorique ou encore de la physique nucléaire. Cette richesse est illustrée par le fait que le laboratoire soit rattaché à trois instituts du CNRS (INSU, INP et IN2P3).
Le laboratoire a une forte composante numérique. Il s’agit non seulement de réaliser des simulations ou des calculs par l’outil informatique mais également de développer des outils performants, le plus souvent mis à la disposition de la communauté scientifique. Cette tâche bénéficie du soutien de l’équipe informatique du laboratoire qui comprend des ingénieurs spécialisés dans ce domaine.
Le LUTH, tout en étant fidèle à son ADN de laboratoire dédié à la modélisation et à la théorie, n’est pas déconnecté des grandes avancées observationnelles de l’astrophysique. Ses membres sont actifs dans de nombreux projets sol ou spatial, aussi bien dans les phases de préparation que d’exploitation des données. Ces activités peuvent prendre la forme de participation officielles aux projets (CTA, Euclid, HESS, LISA) ou d’échanges scientifiques moins formels (Gravity, Planck, PTA, SKA, Virgo...)
L’enseignement et la formation par la recherche font partie intégrante des missions de LUTH. Les chercheurs sont impliqués dans l’enseignement de leur spécialités à presque tous les niveaux des cursus universitaires ou des grandes écoles. Une dizaine de doctorants effectuent leur thèse au sein du laboratoire.
Les chercheurs du LUTH sont conscients de l’importance de la diffusion de la connaissance scientifique en direction du grand public. Cela peut prendre la forme de rencontres avec des scolaires, de participation à des conférences, en passant par des interventions dans les médias pour commenter les nouvelles scientifiques du moment.
Thèmes de recherche
Phénomènes aux Hautes Energies (Equipe PHE)
L’équipe PHE se consacre à l’étude des sources astrophysiques aux hautes énergies et de la physique des milieux moléculaires hors équilibre thermodynamique.
Relativité et Objets Compacts (Equipe ROC)
Les thèmes de recherche de l'équipe ROC concernent la théorie et les tests de la gravitation, les ondes gravitationnelles, la formation et les propriétés des astres compacts (étoiles à neutrons, trous noirs). Le développement d'outils numériques ouverts et originaux y tient une place importante.
Cosmologie : structures et origines (Equipe COS)
L'activité de l'équipe COS couvre plusieurs sujets de recherche en cosmologie parmi lesquels l'étude de l'Energie Noire et ses empreintes sur la formation et évolution des grandes structures cosmiques, travaux qui sont réalisé à l'aide de simulations numériques a haute-performance.
[hal-01061614] The Large Observatory For x-ray Timing
Date: 8 sep 2014 - 10:53
Desc: The Large Observatory For x-ray Timing (LOFT) was studied within ESA M3 Cosmic Vision framework and participated in the final down-selection for a launch slot in 2022-2024. Thanks to the unprecedented combination of effective area and spectral resolution of its main instrument, LOFT will study the behaviour of matter under extreme conditions, such as the strong gravitational field in the innermost regions of accretion flows close to black holes and neutron stars, and the supra-nuclear densities in the interior of neutron stars. The science payload is based on a Large Area Detector (LAD, 10 m 2 effective area, 2-30 keV, 240 eV spectral resolution, 1 deg collimated field of view) and a WideField Monitor (WFM, 2-50 keV, 4 steradian field of view, 1 arcmin source location accuracy, 300 eV spectral resolution). The WFM is equipped with an on-board system for bright events (e.g. GRB) localization. The trigger time and position of these events are broadcast to the ground within 30 s from discovery. In this paper we present the status of the mission at the end of its Phase A study.
[hal-01554790] Gravitational geons in asymptotically anti-de Sitter spacetimes
Date: 3 juil 2017 - 19:18
Desc: We report on numerical constructions of fully non-linear geons in asymptotically anti-de Sitter (AdS) spacetimes in four dimensions. Our approach is based on 3 + 1 formalism and spectral methods in a gauge combining maximal slicing and spatial harmonic coordinates. We are able to construct several families of geons seeded by different families of spherical harmonics. We can reach unprecedentedly high amplitudes, with mass of order ∼1/2 of the AdS length, and with deviations of the order of 50% compared to third order perturbative approaches. The consistency of our results with numerical resolution is carefully checked and we give extensive precision monitoring techniques. All global quantities, such as mass and angular momentum, are computed using two independent frameworks that agree with each other at the 0.1% level. We also provide strong evidence for the existence of ‘excited’ (i.e. with one radial node) geon solutions of Einstein equations in asymptotically AdS spacetimes by constructing them numerically.
[hal-02327830] Hairy rotating black holes in cubic Galileon theory
Date: 23 oct 2019 - 08:57
Desc: Numerical solutions for asymptotically flat rotating black holes in the cubic Galileon theory are presented. These black holes are endowed with a nontrivial scalar field and exhibit a non-Schwarzschild behaviour: faster than $1/r$ convergence to Minkowski spacetime at spatial infinity and hence vanishing of the Komar mass. The metrics are compared with the Kerr metric for various couplings and angular velocities. Their physical properties are extracted and show significant deviations from the Kerr case.
[hal-01169776] Self-gravitating scalar breathers with negative cosmological constant
Date: 30 juin 2015 - 12:13
Desc: Breather-type (time-periodic and spatially localized) solutions with spherical symmetry are investigated in a massless scalar field theory coupled to Einstein's gravity with cosmological constant in $d$ spatial dimensions imposing anti de Sitter (AdS) asymptotics on space-time. Using a code constructed with the Kadath library that enables the use of spectral methods, the phase space of breather solutions is explored in detail for $d=3$ and $d=4$. It is found that there are discrete families of solutions indexed by an integer and by their frequency. Using a time evolution code these AdS breathers are found to be stable for up to a critical central density, in analogy to boson stars. Using an analytical perturbative expansion small amplitude breathers are worked out for arbitrary dimensions $d$.
[hal-02512508] Excitation properties of galaxies with the highest [O iii]/[O ii] ratios
Date: 19 Mar 2020 - 17:12
Desc: The possibility that star-forming galaxies may leak ionizing photons is at the heart of many present-day studies that investigate the reionization of the Universe. We test this hypothesis on local blue compact dwarf galaxies of very high excitation. We assembled a sample of such galaxies by examining the spectra from data releases 7 and 10 of the Sloan Digital Sky Survey. We argue that reliable conclusions cannot be based on strong lines alone, and adopt a strategy that includes important weak lines such as [O i] and the high-excitation He ii and [Ar iv] lines. Our analysis is based on purely observational diagrams and on a comparison of photoionization models with well-chosen emission-line ratio diagrams. We show that spectral energy distributions from current stellar population synthesis models cannot account for all the observational constraints, which led us to mimick several scenarios that could explain the data. These include the additional presence of hard X-rays or of shocks. We find that only ionization-bounded models (or models with an escape fraction of ionizing photons lower than 10%) are able to simultaneously explain all the observational constraints.
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