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Projets spatiaux pour l’exploration de la matière noire et de l’énergie noire

Projets spatiaux pour l’exploration de la matière noire et de l’énergie noire. Introduction. Paramètres cosmologiques Approches et méthodes observationnelles Projets spatiaux : SNAP/JDEM, DUNE Electronique intégrée pour un grand imageur spatial. ‘Paramètres cosmologiques’.

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Projets spatiaux pour l’exploration de la matière noire et de l’énergie noire

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Presentation Transcript

  1. Projets spatiaux pour l’exploration de la matière noire et de l’énergie noire Claire Juramy - LPNHE Paris

  2. Introduction • Paramètres cosmologiques • Approches et méthodes observationnelles • Projets spatiaux : SNAP/JDEM, DUNE • Electronique intégrée pour un grand imageur spatial Claire Juramy - LPNHE Paris

  3. ‘Paramètres cosmologiques’ • Relativité Générale • Hypothèse cosmologique : univers homogène, isotrope • Expansion de l’Univers (équation de Friedman) : H : taux d’expansion (‘constante de Hubble’ H0 à t0) • : constante cosmologique k : courbure : -1 (ouvert), = 0 (plat), +1 (fermé) X : densités réduites (/ H02) Claire Juramy - LPNHE Paris

  4. Energie noire Deuxième équation de Friedman : ‘Equation d’état’ de l’énergie noire : Densité : • ‘Constante cosmologique’ : w = -1, w’(z) = 0 • Champ scalaire dépendant du temps : w’(z)  0 • Autres modèles : prédictions sur w et w’(z) Claire Juramy - LPNHE Paris

  5. Distances et densités • Décalage spectral z : 1 + z = obs / em = R0 / R • Mesures de distance : • Diamètre angulaire : dA = Dréel / app • Mouvement propre : dM = vtransverse / ’app • Distance de luminosité : dL = (Lréel/4Fmes)1/2 • Densité comobile d’objets Claire Juramy - LPNHE Paris

  6. Mesures cosmologiques • Sensibilité de dL(z) aux paramètres cosmologiques Claire Juramy - LPNHE Paris

  7. Outils d’exploration • Supernovae de type Ia • Rayonnement de fond cosmologique (CMB) • Cisaillement gravitationnel (‘Cosmic Shear’ ou ‘Weak Lensing’) • Amas de galaxies (‘clusters’) • Oscillations baryoniques dans le spectre de puissance des galaxies • … Claire Juramy - LPNHE Paris

  8. Supernovae de type Ia • Très lumineuses, de durée limitée (2 mois) • Chandelles étalonnables : courbes de lumière, relation luminosité réelle / temps de montée • Décalage spectral z : spectrométrie, galaxie hôte • Distance de luminosité : dL(z) Claire Juramy - LPNHE Paris

  9. Le CMB • Rayonnement de fond cosmologique : 2.74 K • Anisotropies ~10-5 : inhomogénéités à la recombinaison (WMAP Science Team) Couleurs : + 200 µK Claire Juramy - LPNHE Paris

  10. Le CMB • Spectre de puissance des anisotropies • Mesure de distance angulaire (‘pic acoustique’) • Datation (z) par le refroidissement • Mesure de la courbure WMAP (1 an d’intégration) Claire Juramy - LPNHE Paris

  11. Le CMB • Autres paramètres : dégénérescences • Prochaine génération de satellite : PLANCK Hu et Dodelson (2002) Claire Juramy - LPNHE Paris

  12. Formation des structures Simulation par Stéphane Colombi (IAP) Claire Juramy - LPNHE Paris

  13. ‘Weak Lensing’ • Mesure de la distorsion moyenne des galaxies (grossissement et 2 paramètres de cisaillement) Claire Juramy - LPNHE Paris

  14. ‘Weak Lensing’ • Corrélation spatiale du cisaillement des images de galaxies  ‘spectre de puissance de la matière’ Claire Juramy - LPNHE Paris

  15. ‘Weak Lensing’ • P(s)  H04M2 • Autres paramètres : dépendance par les distances, modèle de croissance des structures Claire Juramy - LPNHE Paris

  16. Diagramme de concordance Claire Juramy - LPNHE Paris

  17. SNLS au CFHT • Durée prévue : 5 ans • CFHT :  3.6 m (1979) • Megacam (DAPNIA) : 1 deg2 , 42 CCD 2k*4K, 328 Mpixel Claire Juramy - LPNHE Paris

  18. SNLS au CFHT • Exploration répétée sur 4 champs dans 5 filtres • Multiplexage : acquisition des courbes de lumière en parallèle (au moins 5 SNe par image) Claire Juramy - LPNHE Paris

  19. Type Ia, z = 0.93, VLT SNLS : spectrométrie • Identification / Confirmation spectrométrique : télescopes de 8 m à 10 m (VLT, Keck, …) Claire Juramy - LPNHE Paris

  20. SNLS : résultats récents • Diagramme : 46 Supernovae de SNLS de z = 0.2 à 0.95 + Supernovae historiques de Calan/Tololo Claire Juramy - LPNHE Paris

  21. SNIFS : supernovae proches • Physique des supernovae Ia, étude de la diversité • Mesures dans le flot de Hubble à bas z (< 0.08) Claire Juramy - LPNHE Paris

  22. Projet spatial : Supernovae Ia • Décalages spectraux plus élevés pour w(z) • Augmenter la statistique • Contrôler les erreurs systématiques • Avoir un échantillon homogène Problèmes au sol : • Variabilité • Absorption et émission dans l’infra-rouge • Résolution angulaire (PSF) • Suivi irrégulier (météo, Lune) Claire Juramy - LPNHE Paris

  23. Projet spatial : cisaillement Keck / ESI : 3 poses de 5 min successives (avant et après correction) • Anisotropies de l’atmosphère • Photométrie visible et infra-rouge pour les mesures de décalages spectraux • Homogénéité des données (spatiale et spectrale) Claire Juramy - LPNHE Paris

  24. Chronologie récente • 2003 : SNAP (SuperNova / Acceleration Probe), 1ère priorité à 15 ans pour le DOE • Octobre 2003 : JDEM (Joint Dark Energy Mission), 75% NASA - 25% DOE • Janvier 2004 : NASA : report des missions ‘Einstein Probes’ ‘au-delà de l’horizon budgétaire’ (5 ans) • Mars 2004 : idée d’un imageur spatial à grand champ européen (prospective ESA 2015-2025) • Octobre 2004 : début de phase 0 (pré-étude) de DUNE au CNES Claire Juramy - LPNHE Paris

  25. JDEM (option SNAP): Science Definition Team (US only), R&D (DOE) Budget : 1.2 G$ Miroir :  2.0 m DUNE : Phase 0 au CNES : concept scientifique et faisabilité Budget : 0.3 G€ Miroir :  1.3 m JDEM – DUNE Programme scientifique : SNe Ia (>2000), Weak Lensing (>300 deg2), autres (SNe II, oscillations baryoniques), programmes invités nécessitant un imageur spatial à grand champ Claire Juramy - LPNHE Paris

  26. JDEM – DUNE : Concept Claire Juramy - LPNHE Paris

  27. JDEM (option SNAP): 3 ans : 30 mois SNe - 6 mois WL Supernovae : 15 deg2 tous les 4 jours pendant 30 mois (objectif : 2000 SNe) Cisaillement : 300 deg2 DUNE : 3 ans : 50% SNe - 50% WL Supernovae : 10 deg2 tous les 6 jours et 100 deg2 tous les 4 jours (objectif : 10 000 SNe) 1000 deg2 JDEM – DUNE : Observations Claire Juramy - LPNHE Paris

  28. JDEM – DUNE : Cosmologie Claire Juramy - LPNHE Paris

  29. JDEM (option SNAP) : JPL DOE LBNL, Michigan, Stanford, Fermilab, … IN2P3, LAM Autres JDEM (option DESTINY) DUNE : DAPNIA INSU / IAP IN2P3 : structure de projet à mettre en place … JDEM – DUNE : Institutions • Appel d’offre (NASA / DOE, ESA ?) dans ~ 2 ans Claire Juramy - LPNHE Paris

  30. Visible (0.35 à 1.0 µm) : 36 CCD 3.5k*3.5k, pixels 10.5 µm, 6 filtres Proche Infra Rouge (0.9 à 1.7 µm) : 36 APS HgCdTe 2k*2k, pixels de 18 µm, 3 filtres Plan focal de SNAP WFC3 (HST) 13 cm Claire Juramy - LPNHE Paris

  31. Défis technologiques : plan focal • Infra-rouge : technologie à développer • Mécanique : précision sur le positionnement des éléments (5 µm) • Electrique : alimentation disponible limitée • Thermique : températures de fonctionnement préférées : 80 K pour l’IR, 200 K pour les CCD • Electronique intégrée : compacité, faible consommation électrique, adaptation à la température du plan focal, tenue aux radiations Claire Juramy - LPNHE Paris

  32. Lecture de CCD • Contenu d’un pixel : de 2 à 250 000 électrons • Dynamique : 17 bits • Capacité de lecture : 50 fF, 4 µV / électron • Remise à zéro : Claire Juramy - LPNHE Paris

  33. R&D ASIC au LPNHE • Premier circuit : Double Intégrateur (DMILL) • Deuxième circuit : Double Gain, ‘Clamp and Sample’ (AMS 0.35 µ) • ASIC limité en tension (5 V) • Gain maximum pour pixel saturé : x 3 • Haut gain : x 96 • Dynamique totale 17 bits avec ADC 12 bits • Prochain étape : intégration d’une chaîne complète (ADC inclus), pour les capteurs CCD et IR Claire Juramy - LPNHE Paris

  34. R&D ASIC au LPNHE • Bruit total de l’amplificateur (pour les 2 gains) • Bruit en fonction de la méthode et du temps/pixel Claire Juramy - LPNHE Paris

  35. R&D ASIC au LPNHE • Spectre de bruit en fonction de la température Claire Juramy - LPNHE Paris

  36. Bancs de test au LPNHE • Insertion dans l’ensemble de la chaîne de lecture • Tests sur le capteur infra-rouge HgCdTe (Rockwell) Claire Juramy - LPNHE Paris

  37. R&D Détecteurs • Comprendre le bruit de courant d’obscurité • Tester le système de ‘multiread’ Claire Juramy - LPNHE Paris

  38. Conclusions • Participation importante de l’IN2P3 dans les projets actuels (au sol) • Expériences actuelles : confirmer les premiers résultats de la cosmologie expérimentale, mesurer w à + 10 % • Projets spatiaux en pré-étude ; possibilité de participer à la définition du projet DUNE • Rôle possible pour l’IN2P3 au cœur du projet (technologie de l’imageur spatial, science) Claire Juramy - LPNHE Paris

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