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-03786117] The characteristic blue spectra of accretion disks in quasars as uncovered in the infrared
Date: 23 sep 2022 - 16:10
Desc: Quasars are thought to be powered by supermassive black holes accreting surrounding gas. Central to this picture is a putative accretion disk which is believed to be the source of the majority of the radiative output. It is well known, however, that the most extensively studied disk model-an optically thick disk which is heated locally by the dissipation of gravitational binding energy-is apparently contradicted by observations in a few major respects. In particular, the model predicts a specific blue spectral shape asymptotically from the visible to the near-infrared, but this is not generally seen in the visible wavelength region where the disk spectrum is observable. A crucial difficulty has been that, towards the infrared, the disk spectrum starts to be hidden under strong, hot dust emission from much larger but hitherto unresolved scales, and thus has essentially been impossible to observe. Here we report observations of polarized light interior to the dust-emitting region that enable us to uncover this near-infrared disk spectrum in several quasars. The revealed spectra show that the near-infrared disk spectrum is indeed as blue as predicted. This indicates that, at least for the outer near-infrared-emitting radii, the standard picture of the locally heated disk is approximately correct.
[in2p3-01303680] Acceleration of petaelectronvolt protons in the Galactic Centre
Date: 18 avr 2016 - 16:18
Desc: Galactic cosmic rays reach energies of at least a few petaelectronvolts1 (of the order of 1015 electronvolts). This implies that our Galaxy contains petaelectronvolt accelerators (‘PeVatrons’), but all proposed models of Galactic cosmic-ray accelerators encounter difficulties at exactly these energies2. Dozens of Galactic accelerators capable of accelerating particles to energies of tens of teraelectronvolts (of the order of 1013 electronvolts) were inferred from recent γ-ray observations3. However, none of the currently known accelerators—not even the handful of shell-type supernova remnants commonly believed to supply most Galactic cosmic rays—has shown the characteristic tracers of petaelectronvolt particles, namely, power-law spectra of γ-rays extending without a cut-off or a spectral break to tens of teraelectronvolts4. Here we report deep γ-ray observations with arcminute angular resolution of the region surrounding the Galactic Centre, which show the expected tracer of the presence of petaelectronvolt protons within the central 10 parsecs of the Galaxy. We propose that the supermassive black hole Sagittarius A* is linked to this PeVatron. Sagittarius A* went through active phases in the past, as demonstrated by X-ray outbursts5and an outflow from the Galactic Centre6. Although its current rate of particle acceleration is not sufficient to provide a substantial contribution to Galactic cosmic rays, Sagittarius A* could have plausibly been more active over the last 106–107 years, and therefore should be considered as a viable alternative to supernova remnants as a source of petaelectronvolt Galactic cosmic rays.
[cea-02892930] Simultaneous observations of the blazar PKS 2155−304 from ultra-violet to TeV energies
Date: 7 juil 2020 - 22:52
Desc: Here we report the results of the first ever contemporaneous multi-wavelength observation campaign on the BL Lac object PKS 2155−304 involving Swift, NuSTAR, Fermi-LAT, and H.E.S.S. The use of these instruments allows us to cover a broad energy range, which is important for disentangling the different radiative mechanisms. The source, observed from June 2013 to October 2013, was found in a low flux state with respect to previous observations but exhibited highly significant flux variability in the X-rays. The high-energy end of the synchrotron spectrum can be traced up to 40 keV without significant contamination by high-energy emission. A one-zone synchrotron self-Compton model was used to reproduce the broadband flux of the source for all the observations presented here but failed for previous observations made in April 2013. A lepto-hadronic solution was then explored to explain these earlier observational results.
[hal-03786024] Comprehensive modelling of the planetary nebula LMC-SMP 61 and its [WC]-type central star
Date: 6 oct 2022 - 09:00
Desc: We present a comprehensive study of the Magellanic Cloud planetary nebula SMP 61 and of its nucleus, a Wolf-Rayet type star classified [WC 5-6]. The observational material consists of HST STIS spectroscopy and imaging, together with optical and UV spectroscopic data collected from the literature and infrared fluxes measured by IRAS. We have performed a detailed spectral analysis of the central star, using the Potsdam code for expanding atmospheres in non-LTE. For the central star we determine the following parameters: L<SUB>star</SUB> = 10<SUP>3.96</SUP> L<SUB>&sun;</SUB>, R<SUB>star</SUB> = 0.42 R<SUB>&sun;</SUB>, T<SUB>star</SUB> = 87.5 kK, M<SUB>&sun;</SUB> = 10<SUP>-6.12</SUP> M<SUB>&sun;</SUB> yr<SUP>-1</SUP> d, v<SUB>∞</SUB> = 1400 km s<SUP>-1</SUP>, and a clumping factor of D = 4. The elemental abundances by mass are X<SUB>He</SUB> = 0.45, X<SUB>C</SUB> = 0.52, X<SUB>N</SUB> < 5 × 10<SUP>-5</SUP>, X<SUB>O</SUB> = 0.03, and X<SUB>Fe</SUB> < 1 × 10<SUP>-4</SUP>. The fluxes from the model stellar atmosphere were used to compute photoionization models of the nebula. All the available observations, within their error bars, were used to constrain these models. We find that the ionizing fluxes predicted by the stellar model are consistent with the fluxes needed by the photoionization model to reproduce the nebular emission, within the error margins. However, there are indications that the stellar model overestimates the number and hardness of Lyman continuum photons. The photoionization models imply a clumped density structure of the nebular material. The observed C II] lambda 2326i/C II] lambda 2326r line ratio implies the existence of carbon-rich clumps in the nebula. Such clumps are likely produced by stellar wind ejecta, possibly mixed with the nebular material. We discuss our results with regard to the stellar and nebular post-AGB evolution. The observed Fe-deficiency for the central star indicates that the material which is now visible on the stellar surface has been exposed to s-process nucleosynthesis during previous thermal pulses. The absence of nitrogen allows us to set an upper limit to the remaining H-envelope mass after a possible AGB final thermal pulse. Finally, we infer from the total amount of carbon detected in the nebula that the strong [WC] mass-loss may have been active only for a limited period during the post-AGB evolution.
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