Laboratoire Univers et Théories

LUTH

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Université Paris Diderot, CNRS

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-01645746] Relativistic N-body simulations with massive neutrinos

Date: 12 7 月 2022 - 11:05

Desc: Some of the dark matter in the Universe is made up of massive neutrinos. Their impact on the formation of large scale structure can be used to determine their absolute mass scale from cosmology, but to this end accurate numerical simulations have to be developed. Due to their relativistic nature, neutrinos pose additional challenges when one tries to include them in N-body simulations that are traditionally based on Newtonian physics. Here we present the first numerical study of massive neutrinos that uses a fully relativistic approach. Our N-body code, gevolution, is based on a weak-field formulation of general relativity that naturally provides a self-consistent framework for relativistic particle species. This allows us to model neutrinos from first principles, without invoking any ad-hoc recipes. Our simulation suite comprises some of the largest neutrino simulations performed to date. We study the effect of massive neutrinos on the nonlinear power spectra and the halo mass function, focusing on the interesting mass range between 0.06 eV and 0.3 eV and including a case for an inverted mass hierarchy.

[hal-01833690] Black holes, gravitational waves and fundamental physics: a roadmap

Date: 10 7 月 2018 - 00:00

Desc: The grand challenges of contemporary fundamental physics—dark matter, dark energy, vacuum energy, inflation and early universe cosmology, singularities and the hierarchy problem—all involve gravity as a key component. And of all gravitational phenomena, black holes stand out in their elegant simplicity, while harbouring some of the most remarkable predictions of General Relativity: event horizons, singularities and ergoregions. The hitherto invisible landscape of the gravitational Universe is being unveiled before our eyes: the historical direct detection of gravitational waves by the LIGO-Virgo collaboration marks the dawn of a new era of scientific exploration. Gravitational-wave astronomy will allow us to test models of black hole formation, growth and evolution, as well as models of gravitational-wave generation and propagation. It will provide evidence for event horizons and ergoregions, test the theory of General Relativity itself, and may reveal the existence of new fundamental fields. The synthesis of these results has the potential to radically reshape our understanding of the cosmos and of the laws of Nature. The purpose of this work is to present a concise, yet comprehensive overview of the state of the art in the relevant fields of research, summarize important open problems, and lay out a roadmap for future progress. This write-up is an initiative taken within the framework of the European Action on ‘Black holes, Gravitational waves and Fundamental Physics’.

[hal-01553965] gevolution: a cosmological N-body code based on General Relativity

Date: 12 7 月 2022 - 11:32

Desc: We present a new N-body code, gevolution, for the evolution of large scale structure in the Universe. Our code is based on a weak field expansion of General Relativity and calculates all six metric degrees of freedom in Poisson gauge. N-body particles are evolved by solving the geodesic equation which we write in terms of a canonical momentum such that it remains valid also for relativistic particles. We validate the code by considering the Schwarzschild solution and, in the Newtonian limit, by comparing with the Newtonian N-body codes Gadget-2 and RAMSES. We then proceed with a simulation of large scale structure in a Universe with massive neutrinos where we study the gravitational slip induced by the neutrino shear stress. The code can be extended to include different kinds of dark energy or modified gravity models and going beyond the usually adopted quasi-static approximation. Our code is publicly available.

[hal-02116545] Primordial black hole formation and abundance: contribution from the non-linear relation between the density and curvature perturbation

Date: 1 5 月 2019 - 07:28

Desc: The formation and abundance of primordial black holes (PBHs) arising from the curvature perturbation ζ is studied. The non-linear relation between ζ and the density contrast δ means that, even when ζ has an exactly Gaussian distribution, significant non-Gaussianities affecting PBH formation must be considered. Numerical simulations are used to investigate the critical value and the mass of PBHs which form, and peaks theory is used to calculate the mass fraction of the universe collapsing to form PBHs at the time of formation. A formalism to calculate the total present day PBH abundance and mass function is also derived. It is found that the abundance of PBHs is very sensitive to the non-linear effects, and that the power spectrum &calP;ζ must be a factor of &calO; (2) larger to produce the same number of PBHs as if using the linear relation between ζ and δ (where the exact value depends on the critical value for a region to collapse and form a PBH). This also means that the derived constraints on the small-scale power spectrum from constraints on the abundance of PBHs are weaker by the same factor.

[hal-03318655] Heavy quarks in rotating plasma via holography

Date: 11 8 月 2022 - 17:53

Desc: We continue to explore the dynamics of a heavy quark in a strongly coupled rotating quark-gluon plasma within the holographic framework. We use the 5d Kerr-AdS black hole with two arbitrary rotating parameters to describe the rotating quark-gluon plasma. We present the relations for the drag force acting on the heavy quark both in the rotating- and static-at-infinity frames for arbitrary choice of the rotational parameters. We also calculate the thermal mass of a static quark in different frames and show that at high-T limit the dependence on rotation is suppressed.