Projets ciblés du PEPR Origines - des planètes à la vie
Axe 1 : Imagerie directe et caractérisation d’exoplanètes
Cet axe porte sur la détection directe d’exoplanètes, objectif scientifique et technologique nécessaire pour déterminer leurs caractéristiques, comme leur constitution atmosphérique, et comprendre leur mécanisme de formation. Il regroupe 5 projets ciblés.
XAO WFS : Mesure et contrôle du front d’onde pour l’optique adaptative
Le projet ciblé XAO-WFS propose de développer une nouvelle génération d’analyseur de front d’onde dédiée à l’imagerie à très grand contraste des exoplanètes pour, en particulier, améliorer significativement les capacités observationnelles des futurs télescopes géants. L’objectif est de fournir un prototype d’analyseur de front d’onde rapide et extrêmement précis optimisé pour la détection de planètes telluriques avec le futur instrument chasseur d’exoplanètes du télescope géant européen (PCS). Ces études proposent des expérimentations préalables à l’échelle du Very Large Télescope situé au Chili.
Résumé : Nouvelle génération de technologies de pointe pour la détection directe des exoplanètes
Consortium : CNRS (CRAL, IP2I, LESIA, LAM), UCBL1, Observatoire de Paris-PSL
RTC : Un contrôleur en temps réel pour l’optique adaptative
Le premier objectif de ce projet est de développer de nouvelles architectures connexionnistes, basées sur des techniques modernes d’apprentissage automatique basées sur les données utilisant des réseaux de neurones profonds (DNN), pour résoudre les problèmes actuels de reconstruction de la phase pour les observations à haute résolution angulaire en astronomie. Le défi est de développer de nouvelles techniques qui traitent les non-linéarités des systèmes de mesure et de compensation d’aberration optique dans un cadre intégré piloté par les données, pour l’étalonnage et le contrôle de systèmes d’Optique Adaptative extrême (XAO).
Parallèlement, ce projet vise à concevoir, mettre en œuvre et valider une nouvelle plate-forme de contrôle temps-réel (RTC) comprenant des solutions matérielles et logicielles et fournissant les moyens d’intégrer ces nouvelles architectures connexionnistes dans le pipeline de contrôle. Cela comprend : des solutions pour l’ingestion de données à faible latence et à haut débit, l’intégration de nouvelles solutions matérielles de calcul dédiées aux ensembles de tâches, l’interopérabilité entre les flux de tâches des méthodes de contrôle classiques et de celles basées sur l’Intelligence artificielle et l’implantation déterministe temporellement dans un scénario de contrôle en boucle fermée.
Résumé : Nouvelle génération de technologies de pointe pour le contrôle temps-réel de l’optique adaptative extrême
Consortium : CRAL(CNRS) +(INSA+Ecole des mines+ CNRS + REFLEX CES (partenaire non financé), Bordeaux (LAB)
FlexSiMirror : Miroirs déformables de haute précision et légers à base de silicium
Ce projet ciblé vise à développer une nouvelle technologie de miroir légère, hybride et très rapide basée sur les procédés de fabrication de membranes de silicium autoportantes avec des zones localement dopées.
Cela s’accompagne du développement d’une technologie de rupture qui n’utilise pas de céramique standard mais plutôt des actionneurs en polymère électroactif (EAP) imprimés en 3D pour produire, avec une réponse temporelle plus élevée (1 à 3 kHz), des déplacements importants et très précis conformes aux besoins des futurs instruments utilisant l’optique adaptative.
Résumé : Nouvelle génération de miroirs déformables hybrides à membrane électroactive et à réponse très rapide.
Consortium : CRAL/CNRS, LGEF INSA LYON, MINES St-Etienne, LAM/CNRS
Photonics
La détection directe et la caractérisation spectrale de l’atmosphère de planètes pouvant abriter la vie font partie des objectifs astrophysiques les plus ambitieux de ce début du XXIe siècle. Atteindre cet objectif requiert en effet de réunir simultanément un très fort pouvoir de résolution angulaire à la capacité à faire de l’imagerie à très haute dynamique. L’interférométrie optique est une puissante technique d’observation pour l’astronomie qui peut répondre à ce double besoin, en permettant de tirer le maximum du potentiel d’imagerie à haute résolution angulaire des observatoires. Le projet a pour but de contribuer au développement de solutions optiques exploitant la technologie de l’optique intégrée pour le design de recombineurs interférométriques mono-modes. Une propriété unique de ces recombineurs est qu’avec une simple modification de ses interfaces, un même composant peut être exploité dans une grande variété de contextes : au foyer d’un unique télescope conventionnel comme au foyer commun d’un interféromètre à très grande base, qu’il se trouve au sol ou dans l’espace. Cette propriété permet la mise au point d’un plan commun de développement de la technologie, exploitant diverses plate-formes photoniques dans des applications partageant un même but : dépasser les contraintes observationnelles d’aujourd’hui et conduire à la détection et à la caractérisation de planètes habitables.
Résumé : Développer des solutions optiques exploitant la technologie de l’optique intégrée pour le design de recombineurs interférométriques mono-modes.
Consortium : IPAG, LAGRANGE, LESIA
Compact spectrographs
Lagrange, IPAG, LAM
Axe 2 : Analyse chimique et isotopique des matériaux primitifs
Cet axe porte sur le développement d’instruments novateurs pour analyser des matériaux extra-terrestres et des échantillons terrestres anciens. L’analyse de matériaux extra-terrestres va permettre d’ouvrir des fenêtres inédites sur l’origine et de l’évolution de notre système solaire et l’émergence de la vie sur une planète, la Terre. Il regroupe 4 projets ciblés.
ASTRO-AFMIR : Un instrument de pointe pour l’imagerie hyperspectrale infrarouge à l’échelle nanométrique
L’objectif du projet ASTRO-AFMIR est de développer, au sein de la communauté française, un instrument innovant pour l’imagerie hyperspectrale infrarouge à l’échelle nanométrique afin de réaliser des analyses physico-chimiques de pointe. L’instrument de nouvelle génération mis en oeuvre dans ce projet pourra cartographier les variations chimiques des matières organiques et inorganiques dans les matériaux extraterrestres à l’échelle nanométrique dans le contexte du retour d’échantillons extraterrestres par des missions spatiales, et pour d’autres échantillons précieux conservés sous des atmosphères contrôlées préservant leur intégrité.
L’objectif est la mise en œuvre et l’intégration de cet instrument au sein d’une plateforme existante, dédiée à l’analyse infrarouge multi-échelle (MUSIICS). Cet instrument sera ouvert à un large spectre d’applications couvrant les domaines académiques et industriels.
Résumé : Développer et proposer des techniques innovantes permettant l’analyse chimique à l’échelle nanométrique de matériaux complexes : des applications académiques aux applications industrielles
Consortium : CNRS, Université Paris saclay, ISMO, ICP
COSMO-SAT : Une sonde atomique tomographique pour la cosmochimie
Le projet COSMO-SAT propose de développer une nouvelle génération de sonde atomique tomographique dédiée à l’analyse d’échantillons terrestres et extraterrestres pour, en particulier, améliorer significativement leurs mesures élémentaires et isotopiques à l’échelle nanométrique. Le projet se fixe plusieurs objectifs ambitieux d’améliorations instrumentales optimisées et dédiées à l’analyse d’échantillons cosmochimiques : chambre sous ultra-vide optimisée pour la spectrométrie de masse complexe des échantillons géologiques, réduction du bruit de fond, système de détection sensible en position et en temps optimisé, notamment grâce à l’utilisation de l’intelligence artificielle, et développement de la cryo-préparation des échantillons pour améliorer la mesure des atomes légers (H, He, C, …) volatils à température ambiante.
Résumé : Développer une nouvelle génération de sonde atomique tomographique
Consortium : CNRS, Université de Rouen Normandie, MNHN, Université Grenoble Alpes + CAMECA (partenaire non financé), GPM, LGLTPE, IMPMC, GIPSA
µL2-HRMS : Spectrométrie de masse à haute résolution spatiale assistée par désorption-ionisation laser en deux étapes
La spectrométrie de masse assistée par lasers permet de caractériser les compositions moléculaires de la matière organique soluble ou macromoléculaire avec une préparation minimale et une résolution spatiale pouvant atteindre le micromètre. Le projet vise de développer le potentiel de cette technique pour l’étude de la matière organique naturelle qui est chimiquement ultra-complexe et souvent hétérogène. L’objectif est de fournir de nouvelles informations sur l’origine et/ou l’histoire de la matière organique dans les météorites, dans les échantillons d’astéroïdes, dans divers microorganismes fossiles et dans certains des plus anciens résidus carbonés terrestres ayant une origine biologique plausible. Ce projet fournira des méthodes puissantes pour caractériser la matière organique dans les échantillons extraterrestres précieux qui seront ramenés de Phobos et de Mars, et permettra de mieux définir les traces de vie potentielles.
Résumé : Développement d’une plateforme analytique de pointe pour l’analyse d’échantillons d’astéroïdes et la recherche de biosignatures dans les roches terrestres.
Consortium : IRAP, PHLAM, IPAG, LOG, CNRS, Université de Lille, UGA, Université Toulouse II
MARCUS : Manipulation sous haute sécurité d’échantillons inconnus terrestres ou extra-terrestres
Le projet MARCUS est conçu pour fournir à court terme des équipements clefs pour les analyses ou diagnostics préliminaires d’échantillons inconnus (extra-terrestres ou non), qui nécessitent des installations de conservation, des dispositifs de confinement, de surveillance, de manipulation ou de transport spécialisées. MARCUS vise également la détection agnostique de traces infimes d’activités énergétiques ou métaboliques de systèmes vivants dans des échantillons solides inconnus provenant de la Terre ou d’autres planètes ou satellites (Mars, Europe…).
Résumé : Développer de nouvelles solutions d’ingénierie pour la manipulation, la conservation et la caractérisation d’échantillons inconnus sensibles sous confinement strict.
Consortium : IPGP, IMPMC, LiPHY, FOTON, ISTERRE, LGLTPE, +CNES, Institut pasteur, CNES, CNRS, MNHN, IPGP, Institut Pasteur et Ecole Normale Supérieure de Lyon
Axe 3 : Étude de la Terre comme planète habitable
L’objectif est de comprendre ce qui rend notre Terre spéciale et habitable, en étudiant le rôle crucial qu’exerce la dynamique interne sur la surface. L’axe 3 explore les profondeurs terrestres pour mieux appréhender l’évolution de la planète depuis l’accrétion jusqu’aux conditions propices à l’émergence de la vie. Cet axe comprend un projet ciblé.
BOBS : Bouncing Ocean Bottom Seismometers
Développer et mettre en œuvre un nouveau type de capteur géophysique qui conduira à une amélioration radicale de l’imagerie de l’intérieur profond de la Terre à l’échelle planétaire en développant des flotteurs autonomes avec une capacité de plongée profonde. Une technologie robuste, rentable et évolutive permettant d’instrumenter les 70% de la surface de la Terre couverte par les océans profonds. Ce nouveau matériel et logiciel d’échantillonnage des océans permettra la collecte simultanée de données en haute mer pour un ensemble de disciplines environnementales marines. Sa conception polyvalente invite à un co-hébergement flexible d’autres capteurs physiques, chimiques et biologiques, ciblés sur les problèmes de changement climatique, de dégradation de l’environnement et de surveillance des océans.
Résumé : Technologie pour l’observation globale de la terre à partir des océans avec des capteurs sismiques robustes, durables et évolutif.
Consortium : IPGP, +GéoAZUR, Université Côte d’Azur, CNRS, IRD, Observatoire Côte d’Azur, IPG Paris
Axe 4 : Expériences et bioanalyses : émergence de la vie
Du milieu interstellaire jusqu’aux océans de la Terre primitive sur laquelle la vie a émergé, une succession d’étapes ont mis en jeu des environnements très différents où la complexité moléculaire à pu être générée et évoluée en partant de composés simples et abondants comme H2O, CH3OH, CO, NH3, H2CO à la surface des grains glacés du nuage moléculaire dense originel, jusqu’à l’émergence de structures biochimiques auto-réplicatives signant l’apparition de la vie sur notre planète Terre. La compréhension de la continuité entre les différentes étapes requiert de nouveaux outils de simulation expérimentale et d’analyse qui sont au cœur des développements de cet axe.
MIRRPLA : Multiple-beam IRRadiation PLAtform to investigate the origin and evolution of organic matter of the Solar System
Comprendre l’origine de la matière organique primitive lors de la formation et de l’évolution du système solaire est fondamental puisque l’apport de matière organique extraterrestre via les astéroïdes et les comètes est l’une des sources possibles de matière organique disponible à l’époque de la Terre primitive. Dans les environnements astrophysiques, la matière est constamment exposée à des rayonnements multiples (UV, rayons X, électrons et ions des vents solaires, rayons cosmiques et ions piégés dans les magnétosphères). Ces différents types de rayonnement agissent simultanément, mais les expériences d’astrophysique de laboratoire existantes sont en général réalisées à l’aide d’une source unique d’irradiation et les effets de synergie ne sont pas étudiés. L’objectif du projet est donc de construire une plateforme unique d’irradiation multifaisceaux (photons UV, électrons keV et ions keV-GeV délivrés par le GANIL–Grand Accélérateur National d’Ions Lourds, Caen France) équipée d’un spectromètre infrarouge et d’un spectromètre de masse. Les molécules organiques formées lors de l’irradiation ou/et du chauffage des glaces seront détectées au moyen de la technique de chromatographie en phase gazeuse et de spectrométrie de masse in-situ. Ce nouvel instrument polyvalent, la plateforme MIRRPLA, sera ouvert aux différentes communautés scientifiques (astrophysique, radiobiologie, sciences de l’environnement et des matériaux) ainsi qu’aux industriels via la plateforme d’utilisateurs GANIL-CIMAP-CIRIL.
Résumé : Plateforme d’irradiation à faisceaux multiples pour étudier l’origine et l’évolution de la matière organique du système solaire.
Consortium : Université Aix Marseille, CNRS, PIIM, CEA, CIMAP, ENSI Caen, Université Caen Normandie
MICROFLUIDICS
L’un des principaux objectifs du PEPR Origins est de comprendre comment la vie peut apparaître et se développer sur une planète, y compris la Terre, les lunes glacées et les exoplanètes. Ce projet a pour but d’étudier expérimentalement l’une des transitions les plus critiques et les plus mystérieuses, à savoir le passage de petites substances chimiques à des systèmes évolutifs, finalement compartimentés dans des protocellules ou des milieux poreux. Pour relier ces transitions aux résultats obtenus pour la Terre ou les exoplanètes par d’autres projets du PEPR, le projet développera des microréacteurs qui imitent une large gamme de conditions physico-chimiques et permettent une analyse détaillée de la chimie locale qui se déroule dans ces réacteurs, ainsi que des molécules générées et de leur auto-assemblage éventuel. Un ensemble d’outils sera ainsi constitué, permettant de dire si les conditions déduites de l’observation des environnements planétaires sont compatibles avec celles permettant l’émergence de réseaux de réactions chimiques auto-organisées, telles que mesurées en laboratoire.
Résumé : Plateformes microfluidiques pour cribler différents scénarios d’origine de la vie sur la Terre et sur des exoplanètes / lunes candidates.
Consortium : CNRS, ESPCI, Université de Bordeaux, Université Aix-Marseille, CBI, ICMCB, PIIM, I2M
Integr'AL
L’objectif de ce projet est de développer une plateforme analytique universelle permettant la mise en évidence de propriétés émergentes du vivant telles que l’auto-réplication, l’auto-assemblage, et l’auto-organisation. Associée à un traitement statistique des données sous forme de réseaux moléculaires, la stratégie choisie vise à discriminer un système purement chimique d’un système biochimique/biologique, dans tout échantillon primitif et/ou extraterrestre (Mars Sample Return) en mettant en exergue la dynamique des processus qui différencient les systèmes chimiques évolutifs, des structures biochimiques fonctionnelles, jusqu’aux bactéries primitives.
Résumé : Unité d’analyse intégrée pour l’étude des propriétés émergentes de systèmes catalytiques, chimiques et biochimiques.
Consortium : Université de Poitiers, de Paris Est val de Marne et Paris cité, LISA, IC2MP, I2M
Axe 5 : Simulations et analyse de données par calcul intensif/IA
L’objectif de cet axe est repousser les limites de notre compréhension sur l’évolution des disques protoplanétaires et d’améliorer les capacités de recherche d’exoplanètes par imagerie directe en s’appuyant sur les développements de l’Exascale et de l’intelligence artificielle. Cet axe regroupe 4 projets ciblés.
MHD@Exascale
Le projet MHD@Exascale propose de développer une nouvelle génération de codes de simulation magnétohydrodynamique qui soit capable d’exploiter de manière efficiente les nouveaux supercalculateurs accélérés tels que la future machine Exascale qui sera installée prochainement au Très Grand Centre de Calcul du CEA (TGCC).
Le projet vise le développement de deux codes de simulation complémentaires et d’une plateforme de diffusion des données de simulation qui soit ouverte à la communauté. Ces outils rendront possible la simulation ab-initio de l’effondrement de nuages interstellaires jusqu’à la formation de planétésimaux primordiaux, tout en capturant le couplage aux champs magnétique, aux poussières et au rayonnement en temps réel à des échelles temporelles et spatiales inexplorées jusqu’à aujourd’hui. De plus le projet a pour ambition de réduire l’impact environnemental des simulations en minimisant leur empreinte énergétique et en maximisant le partage des données primaires en vue de leur réutilisation pour d’autres projets.
Résumé : Développer une nouvelle génération de codes magnétohydrodynamiques massivement parallèles et portables sur les machines Exascales.
Consortium : Université Grenoble Alpes, CNRS, CEA Saclay, IPAG, CRAL, IAP, +CEA
AI data analysis
Les instruments prévus et en cours de développement pour accéder aux exoTerres et aux biosignatures nécessitent le développement de nouvelles méthodes d’analyse des données et de modélisation des instruments pour atteindre ces objectifs. L’intelligence artificielle (IA), en particulier les algorithmes d’apprentissage automatique non supervisés, offre des moyens sans précédent pour traiter les données astronomiques en incluant la physique, les modèles instrumentaux, l’analyse conjointe des données multivariées et l’extraction de connaissances à partir d’énormes archives.
Résumé : Développer de nouvelles méthodologies de traitement des données afin de parvenir à une extraction optimale des informations pour la détection et la caractérisation des exoplanètes et la reconstruction des images des environnements circumstellaires.
Consortium : LAM L2S, IMS, GIPSA, Lagrange, IPAG, LESIA, CRAL +(LHC,INRIA, ONERA)
Unsupervised AO control : Contrôle non-supervisé et prédictif pour l’optique adaptive
Le projet développera de nouvelles approches pour optimiser le contrôle en optique adaptative pour l’astronomie et les télécommunications. L’objectif est de faire évoluer les méthodes classiques de contrôle temps réel pour approcher ou atteindre les performances ultimes que devrait permettre un système donné dans toutes les conditions d’observation. Ces avancées seront déterminantes pour améliorer la qualité des images en astronomie, repousser les limites de contraste pour la détection d’exoplanètes et limiter les pertes du signal transmis en télécommunications.
Résumé : Développer de nouvelles approches pour optimiser le contrôle en optique adaptative pour l’astronomie et les télécommunications.
Consortium : CRAL, LESIA + (ONERA, LCF, IOGS), Université de Poitiers, de Paris Est val de Marne et Paris cité
Smart scheduling
Le succès de l’imagerie directe des exoplanètes dépend non seulement des performances instrumentales mais aussi des conditions d’observation pendant l’acquisition des données : la turbulence atmosphérique et les conditions météorologiques (vent, vapeur d’eau, transparence de l’atmosphère) peuvent influencer le contraste final par plusieurs ordres de grandeur. Par conséquent, ordonnancer les observations au bon moment est de la plus haute importance. En réunissant des experts en optimisation et des astronomes, le projet permettra de construire un outil qui utilisera toute l’information disponible sur les conditions atmosphériques et météorologiques, à la fois en temps réel et en prévisions, pour optimiser les plannings en temps réel et à moyen terme.
Résumé : Rassembler des experts en optimisation et des astronomes pour construire un outil de planification automatique qui prend en compte des conditions atmosphériques et météorologique et leurs prévisions.
Consortium : LESIA, IPAG, G-SCOP (CNRS, Université Grenoble Alpes)
Axe 6 : Une approche en sciences humaines et sociales
De même que l’héliocentrisme et la théorie de l’évolution ont conduit les sociétés modernes à repenser les contours de l’existence humaine sur Terre et dans le règne du vivant, les recherches sur l’origine des planètes et de la vie renouvellent la manière de concevoir la place des humains dans l’univers et ouvrent la voie à un nouvel humanisme. Les sciences humaines et sociales développées dans cette axe apportent un regard réflexif sur la construction des savoirs interdisciplinaires sur la vie et sur leurs impacts sur les sociétés contemporaines. Cet axe est structuré en un projet ciblé : SHS approach to Origins.
Résumé : Le volet « Sciences humaines et sociales » vise à aborder trois grandes questions dans une perspective interdisciplinaire :
- Origines de la vie : représentations culturelles et définitions interdisciplinaires,
- Contributions de la géologie et de la minéralogie à la recherche en exobiologie,
- Communication et cadre normatif autour de l’origine de la vie.
Consortium : LAS IMPMC + (GRESEC college de france)
