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  • cours - matière potentielle : du prochain quadriennal
  • cours - matière potentielle : développement
  • cours - matière potentielle : interprétation des projets en développement
  • cours - matière potentielle : des deux quadriennaux
Campagne d'évaluation 2011-2014 Unité de recherche : dossier unique Projet de recherche Nouveau laboratoire d'Astronomie - Planétologie Première partie : Projet général de l'unité 1 - Introduction La préparation d'un nouveau projet quadriennal est le moment propice à une réflexion approfondie concernant la pertinence et la visibilité des thématiques que nous abordons, et les structures administratives qui les accompagnent. Avec le double objectif d'optimiser des moyens humains et techniques présents localement, et de proposer une structure compatible avec la politique de gestion de la recherche de nos tutelles, nous proposons la création d'un nouveau grand laboratoire qui regroupe l'ensemble des acteurs de la région Midi Pyrénées dans les domaines
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Campagne d’évaluation 2011-2014
Unité de recherche : dossier unique

Projet de recherche
Nouveau laboratoire d’Astronomie - Planétologie



Première partie : Projet général de l’unité


1 - Introduction
La préparation d'un nouveau projet quadriennal est le moment propice à une réflexion approfondie
concernant la pertinence et la visibilité des thématiques que nous abordons, et les structures administratives qui
les accompagnent. Avec le double objectif d'optimiser des moyens humains et techniques présents localement, et
de proposer une structure compatible avec la politique de gestion de la recherche de nos tutelles, nous proposons
la création d'un nouveau grand laboratoire qui regroupe l'ensemble des acteurs de la région Midi Pyrénées dans les
domaines de la Géophysique planétaire et de l'Astrophysique/Astronomie. Ce nouveau laboratoire trouve
naturellement sa place au sein de l'Observatoire Midi-Pyrénées et du pôle Univers, Planète, Espace, Environnement
(UPEE) de l’université Toulouse III. Sa cohérence scientifique le positionnera également fortement au sein du
réseau Terre Vivante et Espace (TVE) et permettra de l'identifier comme un des laboratoires ressources du RTRA
Science et Technologie pour l'Aéronautique et l'Espace (STAE), impliqué dans le Pôle de compétitivité
Aéronautique, Espace et Systèmes Embarqués (AESE). Il sera le plus grand laboratoire français
d’astrophysique/planétologie avec environ 300 personnes, doctorants et post-doctorants compris.
Ce nouveau laboratoire est issu du dispositif actuel d'UMR de taille moyenne qui, depuis une quinzaine
d'années, a permis l'émergence d'équipes avec une visibilité internationale incontestable. En même temps,
l'existence de l'Observatoire Midi-Pyrénées et l'élargissement de ses contours scientifiques (arrivée du LMTG à l'OMP
en 1999, arrivée du CESR en 2001) a grandement favorisé les échanges scientifiques entre laboratoires. Par
exemple, la coordination des observations de l'univers lointain depuis le sol (domaine d'excellence du LATT) et
depuis l'espace (domaine d'excellence du CESR) a pu naturellement se mettre en place et la distinction entre les
développements astrophysiques au sol et dans l'espace a laissé place à une évidente convergence des thématiques
scientifiques traitées par le CESR et le LATT. De la même façon, la création d'un Pôle de Planétologie à l'OMP
regroupant l'ensemble des chercheurs qui étudient le fonctionnement planétaire, a largement contribué au
rayonnement scientifique Toulousain. Citons comme exemple la conception et la réalisation de l'instrument
ChemCam qui volera sur la mission Mars Science Laboratory, un projet qui n'aurait pas été possible sans l'étroite
mise en commun de savoirs et savoir-faire du CESR, DTP, LATT et LMTG, avec la création d'une équipe inter-
laboratoires comprenant aussi une participation du CNES.
La constitution de ce nouveau laboratoire repose donc sur une large gamme de compétences scientifiques et
techniques qui ont fait leurs preuves et qui ont plusieurs fois déjà été mises en œuvre de façon coordonnée. Dans
1 Projet de recherche du nouveau laboratoire ce contexte favorable, nous souhaitons poursuivre et renforcer ces liens à travers la constitution d'un seul
laboratoire capable de répondre aux défis scientifiques et technologiques du futur et aux évolutions thématiques
de nos disciplines. Celui-ci profitera d'un environnement riche. Installé sur les campus de l'université, membre de
l'observatoire Midi Pyrénées, très impliqué dans les enseignements universitaires, parfaitement inséré dans le tissu
national et international, il peut impulser des actions de recherche et d'enseignement de grande envergure. Ses
recherches académiques bénéficieront de la proximité géographique de la partie toulousaine du centre spatial
français, le CNES, qui établit la politique spatiale française et soutient les développements spatiaux.
En détail, l'origine des personnes qui rejoignent le laboratoire est la suivante :
• CESR (environ 170 personnes)
• LATT (environ 100 personnes)
• Parties planétologie et sismologie du DTP (environ 25 personnes)
• Des physico-chimistes du LMTG (4 ou 5 permanents)
Ces quelques 300 personnes comprennent 175 personnels permanents (+ 6 émérites), répartis de la façon
suivante :
• Chercheurs CNRS : 48
• Enseignants chercheurs : 30
• AP : 24
• ITA/IATOS/ITARF : 73
Au niveau national, ce grand laboratoire sera principalement rattaché à l'INSU. Il aura aussi un dialogue avec
l’IN2P3 sur la physique des astroparticules, avec l'institut de Physique et l'institut de Chimie du CNRS sur des sujets
d’astrochimie et avec l'INST2I dans le domaine du traitement du signal et des images.
La relation qui liera le laboratoire au CNES est particulièrement importante. En effet, l’agence nationale de
l’espace est le support principal pour les réalisations spatiales, les moyens de tests associés au sol, l’analyse et
l’archivage des données. Le partenariat avec le CNES implique d’abord des relations avec la division des
programmes de cet organisme et, bien sûr, au niveau du design, de la R&D et du management des expériences,
avec le Centre Spatial de Toulouse. Les relations du nouveau laboratoire avec l’Agence Spatiale Européenne (ESA)
seront également intenses, à travers l’instrumentation des missions européennes. Les relations du nouveau
laboratoire avec les autres agences spatiales concerneront d’abord la NASA et la JAXA. Par ailleurs, ont récemment
débuté des coopérations nouvelles et intéressantes avec la Chine et l'Inde, soutenues par le CNES.
Le nouveau laboratoire aura également pour mission l’étude et la réalisation d’instruments focaux installés
sur des télescopes au sol ouverts à la communauté française et européenne. Ces projets seront menés dans le
cadre de consortiums nationaux ou internationaux, en réponse aux appels d'offre d'agences (ESO) ou
d'Observatoires (CFHT, GTC, etc.). Pour être efficace et assurer le maximum de retour scientifique, la sélection
des projets s'inscrira dans le cadre des actions prioritaires définies par l'INSU.
En parallèle aux projets d'observation par moyens spatiaux et télescopes, le laboratoire sera aussi impliqué
dans de grands projets structurants de sismologie terrestre et d'expérimentation de laboratoire.
Finalement, il est significatif de mentionner ici des initiatives de grande ampleur au niveau européen,
comme l’initiative Europlanet, dans le cadre du programme FP-7. Ce réseau est dédié à l’exploration planétaire
spatiale et aux travaux au sol associé, et il sera coordonné par le nouveau laboratoire qui par ailleurs coordonne
plusieurs actions internationales ou groupements de recherche européens (GDRE), par exemple avec la Russie
(système solaire).
Le nouveau laboratoire aura également quelques handicaps, au nombre desquels sa relative dispersion
géographique à Toulouse. En effet, un facteur essentiel d'une dynamique nouvelle est une unité géographique
optimale pour favoriser le brassage des idées, créer une identité et faire se rencontrer les compétences. Les
chercheurs et ITA du campus toulousain étant actuellement répartis sur le campus "Édouard Belin" (LATT, DTP) et
le campus "Colonel Roche" (CESR), il est impératif de prévoir la construction d'un bâtiment unique regroupant
l'ensemble des acteurs toulousains en planétologie et astrophysique, tout en conservant le site de Tarbes,
stratégique pour les activités développées au Pic du Midi. Nous proposons que cet objectif devienne une forte
2 Projet de recherche du nouveau laboratoire priorité de l'université pour le CPER 2014-2020. Le nouveau laboratoire devra aussi affronter une démographie
adverse qui conduira au départ rapide de personnels, surtout dans le corps des ITA, au cours des deux
quadriennaux à venir. Nous aurons donc une demande pressante à nos deux tutelles, CNRS et Université, pour le
remplacement de ceux-ci.
La suite de ce document fournit une description détaillée des thèmes de recherche, de la synergie science-
instruments et des projets structurants (projets instrumentaux, R&D, simulations numériques, expériences de
laboratoire). Un schéma d'organisation générale du laboratoire est également proposé et les besoins spécifiques au
nouveau laboratoire font l'objet d'une présentation chiffrée.


2 – Les grands axes scientifiques du futur laboratoire
2.1 Introduction
L'objectif scientifique du laboratoire dans son ensemble est de mieux comprendre les origines et l'évolution
de l'univers et les objets que le constituent, des premières galaxies formées après le big-bang, aux planètes du
système solaire. Dans ses grandes lignes, notre programme de recherche associe observations et simulations, avec
un fort accent sur les développements instrumentaux, un aspect qui se décline à travers la conception et la
réalisation de l'instrumentation spatiale, de l'instrumentation dédiée aux télescopes au sol, et des expériences de
laboratoire. L'interprétation et la valorisation des données produites s'appuient sur une forte expertise dans le
développement de modèles et de simulations numériques dans les domaines de la thermodynamique, la
géophysique interne, les interactions rayonnement-matière, la physique des plasmas et la dynamique des fluides
d’intérêt géophysique et astrophysique en général.
Pour mener à bien ce programme scientifique, le laboratoire sera structuré autour de cinq axes
thématiques, dont quatre concernent l'exploration de l'univers, du plus proche au plus lointain. Le cinquième est
un axe transverse centré sur le traitement du signal et des images en astrophysique. En détail, les caractéristiques
essentielles de ces axes peuvent être résumées ainsi :

2.2 Les axes thématiques
Géophysique Planétaire et Plasmas spatiaux :
Ce groupe de 38 chercheurs a l'objectif principal de mieux comprendre : i) la formation et l'évolution des
planètes, ii) la dynamique et les interactions de leurs enveloppes et de celles du Soleil, à travers l'étude des objets
du système solaire (planètes, lunes, astéroïdes, couronne solaire, vent solaire, etc.). Le groupe a la particularité
d'associer des participants à de grands projets d’exploration spatiale et possède une forte composante en
provenance des sciences de la Terre. Ce nouvel ensemble, unique dans le paysage de la recherche française,
conduira à la convergence des disciplines autour de la compréhension du fonctionnement planétaire. Il participe à
de nombreux projets spatiaux (ChemCam, MAVEN, Bepi Colombo, Solar Orbiter, EJSM...) et sol, avec un accent fort
sur l'expérimentation et le déploiement de réseaux sismiques.
Physique Stellaire et Solaire :
Cette thématique de recherche impliquant une quinzaine de chercheurs constitue un pôle de compétences
d’ampleur européenne sur la physique solaire et stellaire. Le groupe profite d’une synergie naturelle entre un
accès privilégié à des instruments de qualité (Espadons, Narval, CALAS, COROT, KEPLER, etc.) et à la base de
données solaire BASS 2000, associé à une expertise internationalement reconnue en polarimétrie et dans divers
domaines comme la modélisation MHD, la convection thermique et la turbulence, les effets de la rotation, les
oscillations stellaires (astérosismologie), le transfert radiatif et la diffusion atomique.


3 Projet de recherche du nouveau laboratoire Milieu interstellaire et cycle de la matière :
Cet axe thématique regroupe une quinzaine de chercheurs autour des grandes questions de la formation des
étoiles et des planètes, de l’évolution chimique associée qui conduit à la complexité moléculaire, et du rôle des
processus physiques mis en jeu dans la structuration des amas de galaxies. Cette thématique s’appuie notamment
sur les données spatiales astronomiques dans les domaines IR et submillimétriques fournies par Herschel et Planck,
puis PILOT, sur des données d'observatoires au sol, et sur la plateforme nanograins (dispositif mi-lourd unique
PIRENEA et expérience ESPOIRS) impliquant des collaborations avec des laboratoires de microphysique du pôle
toulousain.
Univers en évolution :
Cette thématique regroupe environ 30 chercheurs qui s'intéressent aux questions de physique fondamentale,
à l’évolution des grandes structures de l'univers et à l'émission du ciel à hautes énergies. Les travaux s'appuient sur
la construction et l’exploitation de grands relevés balayant le spectre électromagnétique, destinés à l’étude de la
formation et de l’évolution des galaxies et des grandes structures dans un contexte cosmologique et recouvrant
l'étude systématique de l'émission X/gamma du ciel dans ses composantes ponctuelles et diffuses (rayonnement
cosmique, annihilation e-/e+, CXB et AGNs). Les efforts du groupe seront centrés sur l'instrumentation, les
campagnes d'observation, la modélisation et l'approche théorique. Le court terme verra l'exploitation des moyens
existants (INTEGRAL, XMM, Fermi, Herschel, Planck, EMIR/GTC). De grands projets verront le jour à moyen et long
terme (MUSE/VLT, SVOM, CTA, SPICA, IXO, etc.).
Signal Images :
Cet axe, composé d'une dizaine de permanents, regroupe des astronomes, informaticiens et chercheurs en
traitement du Signal autour de thèmes liés au traitement du signal et des images en Astrophysique, et en sciences
de l'Univers, avec une implication dans le développement instrumental. Les aspects méthodologiques sont menés
dans un but applicatif et bénéficient d’étroites collaborations avec les autres équipes locales et nationales :
formation des images (Projets Fresnel, SMOSnext, etc.), modélisation et analyse des signaux et images, séparation
aveugle de sources) et enfin déconvolution et reconstruction d'images (interférométrie en astrophysique-ALMA et
observation de la terre-SMOS, déconvolution hyperspectrale-MUSE, etc.).

2.3 Les actions transverses à l'intérieur et à l'extérieur du laboratoire.
Dans un laboratoire de la taille de celui que nous projetons de créer, la diversité thématique est une
richesse qu'il faut savoir exploiter. Pour cette raison, nous porterons un effort particulier aux actions transverses
en son sein, à la fois pour soutenir celles déjà en cours et favoriser l'émergence de projets nouveaux. Un exemple
de projet en cours concerne les activités du groupe 'signal-image' qui développe des outils spécifiques au service de
l'astrophysique (e.g. pour MUSE) et un projet instrumental à long/moyen terme (l'imageur de FRESNEL). Aux
interfaces des autres axes thématiques, certaines collaborations vont émerger très naturellement car les différents
groupes partagent des intérêts communs pour un même objet. A titre d'exemple les axes 'Cycle de la Matière' et
'Univers en évolution' partagent un intérêt pour l'évolution des propriétés du milieu intergalactique et son effet sur
la formation des premières galaxies, les grandes structures de l'univers, les sursauts gamma, les rayons cosmiques
et l'annihilation à 511 keV. Un travail conjoint pourra être mené sur l'exploitation des données des grands relevés
d'Herschel et de Planck et dans le cadre du développement du télescope spatial SPICA.
Une autre action prioritaire concerne l'interface entre les thématiques 'Géophysique Planétaire et Plasmas
Spatiaux' et 'Physique Stellaire et Soleil'. Il existe ici un intérêt évident d'intégrer les connaissances de physique
solaire (observation et modélisation de la structure interne et des basses couches) avec les données obtenues in
situ dans le vent solaire par les missions spatiales (par exemple Stereo et Solar Orbiter). De la même façon, la
dynamique des plasmas astrophysiques (milieu interstellaire et physique des hautes énergies) peut faire également
l'objet d'efforts transversaux.
D'autres actions transverses doivent être développées à plus long terme, par exemple autour de la
nucléosynthèse, un domaine que l'on peut aborder à travers l'étude des objets du système solaire (météorites
4 Projet de recherche du nouveau laboratoire primitives), la compréhension du fonctionnement stellaire, les observations du milieu interstellaire, et certaines
26 60caractéristiques à haute énergie (raie de l'Al ou Fe ). Associée à cette thématique il faut aussi analyser la
formation de disques d'accrétion et des exoplanètes.
L'intégration du laboratoire dans le paysage local passera par de nombreuses interactions avec les
laboratoires de l'université de Toulouse, en particulier ceux de l’Observatoire Midi Pyrénées et de l'IRSAMC.
Certaines sont formalisées dans le cadre des actions scientifiques transverses de l'OMP, et à ce propos on peut
souligner les deux actions portées par le laboratoire : "Analyse et Traitement de données" et "Molécules et Grains :
du laboratoire à l'Univers". Par ailleurs, le laboratoire consolidera ses liens avec la nouvelle unité "Geosciences-
Environnement-Toulouse" (ex LMTG). Ces liens prendront la forme de travaux communs (analyses géochimiques,
caractérisations minéralogiques), et porteront également sur la poursuite d'actions transversales engagées (par
exemple couplage spectroscopie/pétrologie des roches du manteau en Oman) et au développement de thématiques
communes dans le domaine des Sciences de la Terre en générale. Ainsi, des actions communes se poursuivront sur
les dorsales océaniques, le magmatisme terrestre, les risques sismiques, la géodésie, et les interactions
rayonnement-matière. D'autres interactions seront développées avec le LEGOS autour de la thématique des glaces
planétaires. De la même façon, des travaux communs sur le couplage atmosphère-ionosphère-magnétosphère
seront menés avec le laboratoire d’aérologie autour de la mission micro-satellite TARANIS.
Au delà des coopérations nationales antérieures qui seront poursuivies et amplifiées, il existera également
des transferts auprès du monde socio-économique, à travers de liens avec des partenaires industriels dans le
domaine de la physico-chimie au sens large.

3. Projets structurants
Le laboratoire jouera un rôle important dans la réalisation de projets instrumentaux majeurs au sol et dans
l’espace et il a aussi les compétences pour réaliser des simulations numériques lourdes dans un contexte de forte
concurrence internationale. De plus, il dispose et entretient des moyens d’expérimentation, au laboratoire et sur
le terrain, performants et cohérents. Nous ne ferons état ici que des principaux projets qui structureront nos
activités au cours du prochain quadriennal.

3.1 Développements instrumentaux et liens avec les grandes Agences
Parmi les projets du laboratoire, on distinguera les projets dont les données sont en cours d’interprétation
des projets en développement qui mobilisent un important personnel et dont les efforts pourront continuer au-delà
de 2015. Les projets futurs, en attente de décision, fournissent une véritable feuille de route au nouveau
laboratoire. Cette programmation, qui résulte des exercices de prospective des agences et des scientifiques, est un
atout indéniable pour le laboratoire car elle exige des actions de Recherche et Développement vigoureuses pour
accéder à une sélection par une agence internationale. Le tableau présenté en page 7 fournit une liste des projets
dans lesquels le nouveau laboratoire est impliqué ou souhaite s’impliquer à travers des développements, hardware
ou software, importants.

3.2 Actions de recherche et développement
La sélection du laboratoire pour la réalisation de projets instrumentaux sera assujettie à la démonstration
de la maturité des techniques employées, ceci dans un contexte de forte concurrence induit par le faible nombre
de projets dévolus à chaque discipline de l’astrophysique et de la planétologie. Le rôle des actions de Recherche et
Développement pour valider les concepts est donc essentiel. Aussi, le laboratoire s’est engagé dans une série
d’actions de ce type qui concernent :
• Des électroniques intégrées multivoies pour l’astrophysique, dans le cadre du RTRA et en coopération
avec le LOSE, Laboratoire d’Opto-électronique des Systèmes Embarqués de l’ENSEEIHT.
• Des systèmes de lecture multiplexés en fréquence pour les matrices de bolomètres supraconducteurs, en
collaboration avec le SRON (NL) et l’université de Cardiff, pour préparer une participation à l'instrument
SAFARI à bord du télescope spatial japonais SPICA (2018).
5 Projet de recherche du nouveau laboratoire • Des électroniques analogiques et digitales de détecteurs semi-conducteurs pour la mesure des photons X,
en particulier pour la mission IXO, en coopération avec l’institut Max Planck de Munich.
• Une lentille gamma pour l’astrophysique nucléaire, avec une sensibilité environ 30 fois supérieure aux
télescopes actuels.
• Des télescopes X durs à incidence rasante et des détecteurs et chaînes d’analyse pour l’astrophysique
des hautes énergies.
• Le développement d’une caméra rapide pour un banc de test d’optique adaptative de nouvelle
génération (coll. MIP/PACA). Projet CARTOA (financement INSU/Région) :
• Des spectromètres de masse à temps de vol avec l’identification d’alternatives à l’utilisation de feuilles
de carbone et la mise au point de spectromètres complets.
• De l’instrumentation durcie aux radiations pour les missions d’étude des planètes géantes et des régions
situées au voisinage immédiat du soleil.
• Un Imageur de Fresnel pour l’espace, de haute résolution angulaire et haute dynamique, depuis l’UV
jusqu’au visible et IR.
• L'améliorationdu laser de ChemCam pour d’autres applications planétaires, expériences LIDAR ou futures
expériences LIBS/Raman à la surface de la Lune et de Vénus (Thalès et laboratoire).



6 Projet de recherche du nouveau laboratoire Thématique Projets en interprétation Résultats avant 2020 Résultats après 2020
Trous noirs et étoiles à neutrons INTEGRAL, XMM, Fermi SVOM, GFT-SVOM IXO, DUAL
L’inflation Planck PILOT CMBPOL
Ré-accélération et énergie noire Planck BigBoss EUCLID, IXO, CMBPOL
Rayons cosmiques Fermi, INTEGRAL, Hess CTA
SVOM, EMIR(GTC),E-ELT,
Premières étoiles et réionisation Herschel, Planck IRMOS/TMT, GFT-SVOM, IXO, FIRI, FRESNEL
SPICA
Planck, Herschel, XMM, INTEGRAL, MUSE, EMIR(GTC), BigBoss, LSST, IXO, DUAL, FIRI,
Galaxies et amas de galaxies
Fermi E-ELT, SPICA, IRMOS/TMT EUCLID, FRESNEL
Milieu interstellaire formation Herschel, Planck, PIRENEA,
PILOT, SPICA FIRI, CMBPOL
stellaire ESPOIRS, INTEGRAL, XMM, Fermi
ESPADONS, NARVAL, Herschel, SPIROU, SPICA, PLATO,
Étoiles et exoplanètes BPOL, GAIA, FRESNEL
Corot, BASS2000 SVOM
Soleil, Héliosphère STEREO, THEMIS, CALAS Solar Orbiter, Supercalas SolarProbe
Planètes géantes et satellites Cassini JUNO EJSM, Marco Polo
ChemCam/MSL, Maven,
Planètes telluriques et petits MEX, VEX, Rosetta, MERs, Mars
Exomars, Selene-2, Bepi MSR, Marco Polo
corps Odyssey
Colombo, SAGE
Plasmas spatiaux Cluster, THEMIS, Eiscat Cross scale, Taranis, MMS
Les projets instrumentaux structurants avec développement hardware ou software majeur du nouveau laboratoire : A gauche, les thèmes scientifiques.
Deuxième colonne : en rouge les projets en opération. Colonne suivante : les projets en réalisation (vert) ou en attente de sélection (noir). A droite : les
projets à long terme ; aucun n’est encore sélectionné.
7
Projet de recherche du nouveau laboratoire 3.3 Simulations numériques
En association avec les développements instrumentaux, l’étude de la formation, de la composition et de la
dynamique de l’univers lointain et du système solaire fait appel à des simulations numériques impliquant des codes
lourds. Le développement de l'ensemble de ces codes continuera à faire appel aux grands calculateurs : IDRIS,
permettant du calcul intensif de haute performance, le méso-centre de calcul régional CALMIP, plateforme de 352
nœuds, la plateforme à venir du RTRA, le centre international GRID5000, spécialisé dans le domaine des systèmes
parallèles et distribués à grande échelle et enfin des grappes de PC mutualisées entre plusieurs laboratoires. Il est
stratégique de pouvoir maintenir une capacité de calcul parallèle, notamment pour ce qui concerne la maîtrise des
calculs sur clusters adossés à des processeurs graphiques (GPU), la stratégie de calcul massivement parallèle (MPI) et
celle des réseaux de haute performance.
Les outils suivants, regroupés par thématique, font et feront l’objet de développements dans le
laboratoire durant le quadriennal 2011-2014 :
Géophysique planétaire et plasmas spatiaux
• Modèle magnétosphérique Ionosphere-Magnetosphere Model (IMM) qui décrit la dynamique du plasma sans
collision de la magnétosphère interne. Une extension de ce modèle réalisée au laboratoire couple le modèle
magnétosphérique avec un modèle de la haute atmosphère terrestre.
• Code TRANSCAR qui simule les couplages ionosphère-magnétosphère et modélise les rayonnements des diverses
espèces excitées par les précipitations de particules chargées.
• Codes particulaires et hybrides permettant d’étudier la dynamique des plasmas non-collisionnels dans divers
contextes ; i) l’accélération et la dissipation dans les plasmas magnétisés et ii) les plasmas planétaires.
• Codes de chimie atmosphérique et exosphérique. Initialement développés pour étudier Titan, ils sont
opérationnels pour les études de l’atmosphère martienne, des coma cométaires, des exosphères des satellites
glacés et des atmosphères des exoplanètes.
• Turbulence et Chaos. Il s’agit de simulations numériques réalisées avec l’université de Karkov. L’expertise du
laboratoire réside dans l’interprétation théorique des résultats sur des sujets non linéaires, d’approche du
chaos et de la turbulence.
• Codes de calcul en sciences de la Terre (convection globale en 3D; circulation des fluides dans un milieu
poreux; imagerie haute résolution à partir de données sismiques; déconvolution des données hyperspectrales).

Physique stellaire et solaire
• Code MHD 3D Balaïtous : Un code 3D résolvant les équations de la magnéto-hydrodynamique pour un fluide
compressible en géométrie plane. Le code, optimisé pour des architectures parallèles, est utilisé
essentiellement sur les supercalculateurs de centres nationaux (IDRIS notamment).
• Code MHD : le Pencil Code: Code MHD parallèle dans le domaine public (http://pencil-code.googlecode.com).
Les problèmes traités vont de la convection stellaire à la dynamo solaire et aux oscillations des Céphéides.
• Code PEANUTS : solutions stationnaires, travelling ou cycliques, non-lineaires, d'EDP en n-dimensions (n=3
inclus).
• Code TOP : Modes d’oscillation d’étoiles en rotation rapide.
• Code ESTER : Code de structure stellaire à deux dimensions.
• LUCY : Code génétique hybride et massivement parallèle pour l'optimisation multimodale dans un espace a N-
dimension et utilisé pour l'exploration et la recherche de solutions astérosismiques optimales. Fonctionne sur
les supercalculateurs type CALMIP ou GRID'5000.
• GBUILDER : Code massivement parallèle pour le calcul de grille dans des espaces à N-dimension. Vient en
complément du code LUCY pour préciser la nature des solutions astérosismiques. Utilisé sur les
supercalculateurs.
Milieu interstellaire et cycle de la matière, Univers en évolution
• CASSIS : logiciel qui permet d'analyser les raies du gaz des relevés spectraux à haute résolution des télescopes
au sol et dans l’espace.
• Code de transfert radiatif original basé sur la méthode de Monte Carlo Non Linéaire (MCNL) dédié à la
modélisation des binaires X et NAG. Couplage entre une phase froide (disque d’accrétion) et un plasma diffus
chaud (couronne ou partie interne du disque d’accrétion).
8 Projet de recherche du nouveau laboratoire • Code original, cinétique et radiatif pour l’émission des plasmas magnétisés. Ce code décrit l’évolution couplée
des populations de photons, d‘électrons et de positrons (et dans une certaine mesure de protons) sous l’effet
de la microphysique propre aux plasmas chauds.
• Simulations de cascades électromagnétiques dans l’environnement des binaires gamma. Description numérique
de la création des paires électrons-positrons créées par absorption photon-photon et rétroaction sur les
photons.

3.4 Expériences de laboratoire et de terrain
En parallèle aux projets d'observation par moyens spatiaux et par télescopes, des groupes sont aussi impliqués
dans de grands projets structurants de sismologie terrestre et d'expérimentation de laboratoire. En ce qui concerne la
sismologie, deux projets de grande envergure sont prévus pour les années à venir. L'expérience PYROPE consiste à
déployer un réseau dense d'une cinquantaine de stations sismiques large-bande dans le Sud-Ouest de la France et en
Bretagne, un réseau qui sera complété par le déploiement simultané d'une centaine de stations au sud des Pyrénées
par les Espagnols. Le deuxième projet, SISPYR (Interreg, 2009-2011), concerne la mise en place d’un système de
surveillance transfrontalier permanent sur toute la chaîne des Pyrénées (France-Espagne-Andorre). Ce système
d'information a pour vocation première l'échange rapide de données, mais comprend aussi un volet scientifique avec
la constitution et le retraitement d'une base de données commune pyrénéenne. Cette opération est prévue pour la
période 2010-2017, et concernera au plus haut point notre équipe de sismologie, qui en sera le maître d'œuvre pour le
grand Sud-Ouest. Enfin, ces projets sont complétés par l'installation de stations permanentes GPS et la jouvence
complète du parc de sismomètres mobiles, indispensable dans le cas de séisme pyrénéen important.
Dans le domaine de l'expérimentation de laboratoire, la mise en commun des expériences existantes et le
développement de nouveaux appareils est un point fort des nouvelles activités. Un rapide inventaire de ces moyens
illustre la diversité et la richesse du matériel dont on dispose : i) 6 fours de recuit à pression ambiante qui peuvent
atteindre des températures jusqu'à 1700°C et qui, pour certains, travaillent sous atmosphère contrôlée (CO/CO , 2
H /H O), ii) un four 'centrifuge' qui peut travailler jusqu'à 4000 g à 1200°C, ouvrant la possibilité d'étudier les 2 2
processus de ségrégation physique à des échelles de temps raisonnables, iii) une presse "piston cylindre" qui permet
d'exercer une pression jusqu’à 3 GPa pour l'étude des intérieurs planétaires, iv) deux machines de fluage permettant
de réaliser des expériences de déformation à pression ambiante, vi) trois autoclaves travaillant à des pressions jusqu'à
35 MPa et des températures jusqu'à 450°C, matériel dédié à l'étude des altérations minéralogiques, vii) une boîte à
gants anoxiques permettant d'étudier les altérations en milieu dépourvu d'oxygène, viii) l'imageur spectral ISEP, un
spectromètre visible et proche infrarouge conçu pour la mesure des propriétés de surfaces géologiques (sol et roches),
ix) un microscope infrarouge équipé d’une platine chauffante permettant des analyses in situ entre -195°C et +600°C.
En plus des appareils existants, un projet phare du groupe pour les années à venir est le développement d'une cellule
d'expérimentation reproduisant les conditions vénusiennes (470°C, 100 bars CO + traces de N , SO , H O, CO, etc.). 2 2 2 2
Cet appareil sera équipé de fenêtres permettant des analyses in-situ par spectroscopie laser (Raman, LIBS), afin de
tester la réponse des futurs instruments embarqués et de faire une prospection des réactions chimiques pouvant
affecter le sol Vénusien.
Par ailleurs, nous continuerons à faire évoluer la plateforme nanograins destinée à étudier au laboratoire les
propriétés physico-chimiques des macromolécules de type PAH et de nanograins de type VSG dans des conditions
proches de celles rencontrées dans le milieu interstellaire (dispositif PIRENEA : Piège à Ions pour la Recherche et
l’Etude de Nouvelles Espèces Astrochimiques). En complément, le dispositif ESPOIRS (Etudes Spectroscopiques des
Propriétés Optiques Infrarouges et Submillimétrique d’analogue de la poussière) permet de caractériser les propriétés
spectroscopiques dans le domaine IR et sub-mm d’analogues des grains interstellaires. Il facilitera, en particulier,
l’interprétation des observations de la mission spatiale de l’ESA Herschel/Planck et permettra de comprendre
l’évolution physico-chimique des grains interstellaires et des milieux associés.

3.5 Développement d'un centre de traitement en astrophysique de l'univers lointain
Avec l'augmentation et la complexification des données en astronomie (analyses multi-objets, multi-longueurs
d’ondes, multi-échelles), il est indispensable d'effectuer leur traitement massif, leur archivage et mise à disposition,
avec des outils pertinents. Dans ce contexte et en coordination avec les services CDPP, BASS2000 et l'observatoire
virtuel nous souhaitons développer un centre de traitement de données astronomiques.
Les projets identifiés comme acteurs du centre de traitement de données sont les suivants :
• CASSIS : analyse des grands relevés spectraux à haute résolution (Herschel/HIFI, ALMA etc.)
• Planck (jusqu’en 2013) : contributions au développement du « pipeline » de traitement des données et au
« pipeline » de simulation.
9 Projet de recherche du nouveau laboratoire • CTA (début du déploiement 2013) : développement du système d’analyse de données scientifiques et
dissémination de données de haut niveau dans le contexte de l’OV.
• MUSE : traitement et analyse des données spectroscopiques 3D obtenues dans le cadre du temps garanti. A
terme en accès public, dans le contexte OV, à travers la base de données MUSE/GTO en cours de
développement (expertise BASS 2000).
• SVOM (lancement 2015) : participation au French Science Center - Centre d’expertise technique pour
ECLAIRs.
• SPICA (lancement 2018) : développement des outils d’analyse et de simulation des observations dans le
cadre d’un centre de traitement des données éclaté entre les instituts co-I pour le spectro-imageur SAFARI.
• IXO (lancement 2021) : participation au Science Opération Center (SOC) européen.
• Le centre de traitement de données donnera aussi au laboratoire la possibilité de s’impliquer pleinement
dans les développements liés aux projets EUCLID, E-ELT, BigBOSS, LSST, CMBPOL et WFXT.

4. Services d’observation
Le laboratoire aura la charge de développer et de maintenir des services d'observation dans deux domaines
différents de l'INSU : astronomie-astrophysique et sciences de la terre. On distinguera par la suite les services
d'observation CDPP, BASS 2000 et sismologie/géodésie (RSSP, RAP, RENAG), des tâches de service relevant de services
d’observation distribués. Il faut noter l’existence d’un quatrième service d'observation avec un statut particulier : le
service de la couronne solaire qui utilise un instrument financé par la société Fiducial installé sur le coronographe du
Pic du Midi. Résultat d’une collaboration régie par une convention entre l'association amateurs les Observateurs
Associés et l’OMP, il est fortement impliqué dans l’activité de diffusion de la culture scientifique. Au total, le
laboratoire est impliqué dans :

• AA-SO2 : Instrumentation des grands observatoires au sol et spatiaux ; ICC Herschel, VLT/MUSE.
• AA-SO3 : Stations d'observation nationales et internationales ; TBL.
• AA-SO4 : Grands relevés et sondages profonds ; DPC Planck, VLT, CFHT.
• AA-SO5 : Centres de traitement et d'archivage de données ; CDPP, Bass2000, Integral, SSC XMM-Newton.
• AA-SO6 : Surveillance solaire, relations Soleil-Terre, environnement terrestre ; Cluster/Demeter, Stereo et
missions planétaires.
• ST-SO2 : Services d’Observation en Sismologie ; RSSP (antenne régionale du RéNaSS), RAP.
• ST-SO3 : Services de géodésie-gravimétrie ; RENAG.

4.1 CDPP et BASS 2000
Les services d'observation CDPP et BASS 2000, grandes bases de données nationales, mènent leurs activités
autour de la physique des plasmas, de la physique solaire et du magnétisme solaire et stellaire. Ces services sont
fortement liés par plusieurs actions communes dont on peut citer la plus importante : une initiative de "cercle des
métiers" dans le cadre de l'OV-GSO (Observatoire Grand Sud-ouest), ayant pour objectif de créer un espace d’échange
des savoir-faire techniques et scientifiques. Ceci doit favoriser les actions d’interopérabilité et de contribution à
l’Observatoire Virtuel des bases de données astronomiques existantes, non seulement au sein de l’OMP, mais aussi
dans le Grand Sud-Ouest (OASU/LAB à Bordeaux et POLLUX au GRAAL, Montpellier).
CDPP : les activités du Centre de Données de la Physique des Plasma (CDPP), créé par l'INSU et le CNES,
s'articulent autour de trois missions principales qu’il renforcera dans le futur: (i) mise à disposition, archivage et
préservation à long terme des données obtenues sur les plasmas du système solaire, (ii) mise à disposition de services
à valeur ajoutée et (iii) participation à des projets d'observatoires virtuels. Le CDPP a aussi des missions d'animation
scientifique, de support à la communauté, de rayonnement et de diffusion des connaissances. Dans cette dynamique,
le CDPP a : (i) développé un format de données pour concilier l'archivage pérenne et permettre également l'usage
d'outils génériques), (ii) réalisé et mis en service un outil d'analyse intégrée de données multi-jeux (AMDA) et (iii) pris
des rôles importants dans les projets d'observatoires virtuels de planétologie EUROPLANET/IDIS (FP6 et FP7),
d'héliophysique HELIO (FP7) et de météorologie de l'espace VISPANET (ESA). Le CDPP est ainsi responsable de la tâche-
2 du JRA4 et il est co-leader du nœud Plasma pour EUROPLANET RI. Il est responsable d'un workpackage du projet
HELIO et responsable de 2 workpackages pour VISPANET. Par ailleurs, le centre a mis en place la base miroir pour
l'Europe de la mission à 5 satellites de la NASA, THEMIS, et s’investira fortement dans les projets spatiaux du futur
(responsabilité du Science Data Centre and Archive dans la proposition SOLAR-ORBITER et responsable de 2
workpackages du Cross-Scale Science Data System dans la proposition CROSS-SCALE).
10 Projet de recherche du nouveau laboratoire