Nouvelles fenêtres sur l'Univers par l'astronomie multi-messenger – MMUniverse

Ce projet vise à ouvrir de nouvelles fenêtres observationnelles sur l'Univers via la modélisation et l'observation de champs magnétiques cosmologiques, d'ondes gravitationnelles et de trous noirs primordiaux.


Les champs magnétiques cosmologiques peuvent être présents sous leur forme primordiale dans le milieu intergalactique. Les mesures de champ magnétiques intergalactiques (IGMF) sont possibles à l'aide de techniques d'astronomie à rayons gamma, radio et l'observation des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie. Notre objectif est d'explorer le type d'information sur l'univers fourni par des mesures de l’IGMF. Nous examinerons les modèles de génération de champs magnétiques précédemment proposés pour les transitions de phase et étudierons leur évolution ultérieure à l'aide de simulations numériques contraintes qui reproduisent les observations de la distribution des galaxies. Nous utiliserons ces modèles numériques pour élaborer des modèles spatiaux et spectraux des signaux gamma, radio et à ultra-haute énergie. Ces modèles nous permettront d’améliorer de manière décisive la sensibilité des recherches des IGMF. Cette approche sera immédiatement utile pour l’analyse des données du télescopes gamma CTA, radio SKA, des expériences de rayons cosmiques d’ultra-haute énergie Pierre Auger Observatory, Telescope Array, EUSO. Nous explorerons le pouvoir de la combinaison « multi-messagers » de différents types des données sur le champ magnétique.

L'origine des champs magnétiques peut être reliée au signal des ondes gravitationnels d’origine cosmologique. Un fond d'ondes gravitationnelles stochastiques (SGWB) peut être généré par les mêmes processus qui auraient pu magnétiser l'univers. Il s'agit de transitions de phase de premier ordre, de mouvements de fluide, d'un réseau de défauts topologiques ou de la production de particules lors de l’Inflation. Le signal SGWB issu de ces processus se situe dans la gamme de fréquences des détecteurs existant et à venir : les pulsar timing arrays, l'interféromètre spatial LISA ou le réseau de détecteurs au sol. Nous modéliserons à la fois le signal des ondes gravitationnelles et les caractéristiques du champ magnétique produits par ces processus. Ensuite nous émettrons des prédictions sur la possibilité d’une détection combinée de l’IGMF par des télescopes à rayons gamma et de la SGWB par des détecteurs spatiaux ou terrestres.

La même transition de phase cosmologique qui aurait pu générer IGMF et SGWB aurait également pu produire des trous noirs primordiaux (PBH). Nous étudierons les signatures observationnelles de ces trous noirs, en particulier pour les systèmes binaires à l’origine des sursauts d’ondes gravitationnelles actuellement observés, ainsi que les trous noirs de masse intermédiaire et supermassifs dans des différents objets astronomiques. Nous étudierons également l’impact des PBH sur le rayonnement fossile et la formation de la toile cosmique. Nous explorerons également d'autres signatures observationnelles de PBH spécifiques aux modèles, comme par exemple l'existence d'étoiles compactes composées d'antimatière et observables via une émission d'annihilation détectable avec des télescopes gamma.

Pour chacun des trois phénomènes : IGMF, SGWB et PBH, nous examinerons deux questions : quelles caractéristiques des signaux observationnels peuvent déterminer leur origine cosmologique commune ? Quelle amélioration des contraintes sur le processus de génération cosmologique peut-on atteindre si des signaux sont détectés dans plusieurs canaux ? Quelles contraintes sur la physique de l'univers primordial pourrions-nous extraire des signaux d’observation ? Si les données indiquent la nature cosmologique des champs magnétiques, ou l'existence de SGWB cosmologique ou de PBH, elles seront importantes dans le contexte cosmologique, en fournissant une source d’information sur l'état de l'univers entre les époques de l’Inflation et de la nucléosynthèse.