Deux importantes missions de l’ESA ambitionnent de faire bientôt progresser significativement la cosmologie et l’astrophysique. La première est Euclid, un télescope spatial conçu pour mesurer les formes et les positions des galaxies jusqu’à un redshift élevé. L’interprétation de ses données testera les scénarios d’inflation et de production des fluctuations de densité primordiales, ainsi que l’impact sur les grandes structures des composantes sombres qui dominent l’Univers récent – matière noire et énergie noire – et de modifications éventuelles de la gravité. La deuxième mission est LISA, un interféromètre spatial conçu pour détecter les ondes gravitationnelles produites par la coalescence de trous noirs supermassifs binaires ou par des transitions de phase du premier ordre dans l’Univers jeune. Dans ce contexte, une part importante de nos travaux se concentre sur les aspects théoriques associés à ces missions : étude de la dynamique des structures de grande échelle, de divers scénarios de matière noire et d’énergie noire, prédiction des spectres d’ondes gravitationnelles émis dans l’Univers primordial ou par la coalescence de trous noirs ou d’étoiles à neutrons.

Thèmes de recherche
Structures de grande échelle
Les données actuelles et à venir des missions telles que Euclid, DESI et LSST ambitionnent de faire progresser notre connaissance de l’énergie noire et de la matière noire. Cependant, l’extraordinaire précision de leurs mesures de la distribution des galaxies et des effets de lentille gravitationnelle ne pourra être pleinement mise à profit que si les prédictions théoriques et les outils d’analyse statistique progressent en parallèle. Nous développons plusieurs approches complémentaires (resommations de développements perturbatifs, théories des champs effectives, construction de nouvelles observables, …) pour obtenir des prédictions théoriques précises qui peuvent aussi être utilisées pour des scénarios cosmologiques non standards ou qui sont moins sensibles aux petites échelles non-linéaires et mal maitrisées. Nous construisons aussi de nouveaux outils statistiques (forme de la distribution de probabilité complète, …) qui permettent d’aller au-delà des analyses habituelles basées sur les fonctions de corrélation d’ordre deux ou trois.

Energie noire et gravité modifiée
Un des objectifs majeurs d’Euclid est de faire la lumière sur l’origine de l’accélération cosmique et de tester la relativité générale aux échelles cosmologiques. Nous construisons de nouvelles théories d’énergie noire et de gravité modifiée et analysons leurs conséquences phénoménologiques, au moyen de modèles explicites (pour étudier les mécanismes d’écrantage non-linéaires qui permettent de retrouver la relativité générale localement, afin de satisfaire les mesures de la gravité effectuées dans le système solaire) et de théories des champs effectives (pour étudier de manière unifiée les conséquences cosmologiques de larges classes de modèles). En complément, nous étudions aussi les contraintes sur ces scénarios qui peuvent être obtenues par des expériences de laboratoire, telles que les mesures de l’effet Casimir. En effet, ces modèles introduisent généralement de nouveaux degrés de liberté qui engendrent une cinquième force pouvant être détectée en laboratoire.
Matière noire
Comme les WIMPs n’ont pas encore été détectés, des scénarios alternatifs de matière noire tels que « Fuzzy Dark Matter » ont connu un regain d’intérêt ces dernières années, d’autant plus qu’ils pourraient atténuer ou résoudre les tensions rencontrées aux petites échelles par le paradigme standard de la matière noire froide non-collisionnelle (CDM). Nous étudions les comportements cosmologiques et astrophysiques de tels modèles, qui pourraient avoir des auto-interactions non-négligeables (formation de solitons, écoulement autour de trous noirs, …).

Ondes gravitationnelles
La détection récente d’ondes gravitationnelles par la collaboration LIGO/Virgo a ouvert une nouvelle fenêtre sur l’Univers et a déjà apporté de nouvelles contraintes sur la gravité. Nous étudions comment la mesure de la vitesse de propagation des ondes gravitationnelles, leur désintégration en fluctuations d’énergie noire ou leur déclenchement d’instabilités dans le secteur de l’énergie noire, permettent d’exclure de vastes classes de modèles de gravité modifiée. Nous contribuons aussi au calcul particulièrement complexe de l’émission d’ondes gravitationnelles par les systèmes binaires (trous noirs et étoiles à neutrons), qui est crucial pour l’analyses des données de LIGO/Virgo et LISA. Par exemple, à l’aide de plusieurs outils développés récemment en physique des particules, nous avons obtenu pour la première fois en utilisant des méthodes purement classiques la quadri-impulsion rayonnée par un système binaire, au premier ordre du développement post-Minkowskien en incluant les effets de marée et de spin.

Chercheurs permanents
Brando BELLAZZINI
Francis BERNARDEAU
Philippe BRAX
Carlo HEISSENBERG
Raffaele TITO D’AGNOLO
Patrick VALAGEAS
Filippo VERNIZZI