L'équipe COSMO-ML est impliquée sur plusieurs projets majeurs en cosmologie.
1) NIKA2
Il s'agit d'une caméra à base de matrices de KIDs (Kinetic Inductance Detectors) pour des observations dans le domaine millimétrique avec le télescope de 30 m de l'IRAM. La caméra a été conçue et construite par la collaboration NIKA2 grâce à un financement ANR. Le LPSC s’est fortement impliqué dans la construction de NIKA2 et a pris en charge l’électronique et le commissioning. NIKA2 possède deux bandes en fréquence (1,2 et 2 millimètre) et des milliers de KIDs. Il s’agit d’un instrument unique pour des observations du continuum dans le domaine millimétrique. La collaboration NIKA2 a obtenu de l’IRAM 1300 heures de temps garanti repartis sur 5 Large programmes. Le LPSC a pris en charge le grand programme d'observation Sunyaev Zel'dovich (SZ) dédié à la cosmologie avec les amas de galaxies. Ce programme consiste dans des observations SZ résolues de 35 amas à des redshifts entre 0,5 et 0,9 issus des catalogues Planck et ACT. Il constitue une pièce maitresse pour la mesure de la relation d’échelle liant la masse des amas et à leur observable SZ, qui est capital pour la cosmologie avec les amas de galaxies. Nous avons également pris en charge la construction du système de mesure en polarisation, qui nous utilisons dans l’objectif d’étalonner en polarisation les futures expériences CMB visant la mesure des modes B primordiaux associés à l’inflation.
Plus d'informations sur les activités NIKA2 au LPSC : CLIQUEZ
2) KISS & Concerto
Le LPSC, au sein du GIS-KIDS, a été moteur dans le développement de spectro-imageurs millimétriques au sol à base de KIDS via des interféromètres types Martin-Pupplet (MPI). KISS, qui a été installé au télescope de QUIJOTE à l’observatoire du Teide à Tenerife de fin 2018 à 2020, a constitué un expérience prototype. L’instrument a été conçu et construit dans le cadre du GIS-KIDS avec le leadership du LPSC et une très forte contribution des services techniques du LPSC (mécanique, instrumentation, électronique). L’instrument CONCERTO (CarbON CII line in post-rEionisation and Reio- nisaTiOn), qui a été exploité au télescope APEX à 5000 m au Chili, a été construit grâce à un financement ERC senior en collaboration avec le LAM. CONCERTO utilise 2 matrices de 2172 détecteurs chacune, correspondant à un plan focal de 18,6 minutes d’arc de diamètre, dans le domaine spectral de 130 à 310 GHz, et avec une résolution spectrale maximale de 1,8 GHz. Le LPSC a pris en charge la conception optique ainsi que la conception et fabrication de l’électronique et du système d’acquisition. CONCERTO a fonctionné avec succès entre avril 2021 et mai 2023. Les membres de COSMO-ML ont participé régulièrement aux campagnes d’observations et de maintenance de l’instrument. Celles-ci ont permis d’assurer les observations du large programme sur le line intensity mapping [CII] pour 1300 heures dans le champ COSMOS. En outre, le LPSC a été moteur et a pris en charge des observations du spectre SZ pour environ 300 heures dans 5 amas de galaxies. Actuellement, nous sommes fortement impliqués dans le développement du pipeline en spectroscopie et dans l’exploitation des données SZ des amas de galaxies, pour la mesure de leur masse, de leur température et de leur vitesse.
3) Euclid
Il s'agit d'une mission satellite de l'ESA, lancé au point L2 de Lagrange en Juillet 2023, visant la cosmologie dans le domaine visible et infra-rouge via l'effet de lentille gravitationnel faible, le «clustering» de galaxies et les amas de galaxies. Avec deux instruments à l’état de l’art, l’imageur visible VIS et le spectromètre infrarouge NISP, et une très grande couverture du ciel Euclid représente une expérience majeure de cosmologie pour les décennies à venir. L’équipe COSMO-ML s’est fortement impliquée dans la caractérisation du NISP avec la prise en charge des tests de compatibilité électro-magnétique des détecteurs ainsi que des sources de calibration. Nous sommes actuellement fortement impliqués dans l’analyse des données d’Euclid au sein du Science Ground Segment. Dans ce cadre nous avons la responsabilité de l’analyse des données internes et la construction des masques des propriétés d’observation, de l’instrument et brillance du ciel. Les variations spatiales de ses derniers peuvent donner lieu à des effets systématiques dans la détection de galaxies. Nous travaillons à la mise en place d’algorithmes pour corriger la fonction de corrélation 3x2-pts et la fonction de détection des amas de galaxies des ses effets. Nous participons également au SWG lensing et amas de galaxies pour l’études des effets systématiques dans l’estimation des paramètres cosmologiques.
4) Activités instrumentales (salle millimétrique)
Les laboratoires LPSC, Institut Néel, IPAG et IRAM sont moteurs dans le développement de la nouvelle génération de détecteurs cryogéniques KID (Kinetic Inductance Detectors) dans le cadre du Groupe d’Intérêt Scientifique (GIS) KIDs. Ce dernier vise à assurer et améliorer la visibilité des activités de la collaboration. Le périmètre d’action du GIS KIDs comprends la fabrication et la validation photométrique des KIDs, la cryogénie, le système de lecture et d’acquisition, l'instrumentation annexe et l'étalonnage scientifique. Le groupe COSMO-ML et les services électronique, mécanique et SDI jouent un rôle clef pour le développement du système de lecture et le logiciel d’acquisition, la conception et la fabrication de l’optique de reprise, et les mesures de caractérisation des détecteurs. En 2021 nous avons renforcé les activités du GIS KIDs en équipant un nouveau laboratoire millimétrique au LPSC. Celui-ci a été installé dans le hall projet du laboratoire et fonctionne en parallèle de celui de l'Institut Ńeel. La salle millimétrique est conçue autour de l’instrument KISS qui a été rapatrié à Grenoble et modifié pour des contraintes des mesures en laboratoire. À l’instrument KISS se rajoutent une série équipements de pointe telles un banc de tests pour électronique de lecture, un réseau d’ordinateurs par l’acquisition, un simulateur du ciel et une table de pointage pour simuler les observations astrophysiques, ainsi qu’un système de modulation et mesure de la polarisation.
5) ERC RadioforegroundsPlus
Il s’agit d’un projet HORIZON-CL4-2023-SPACE-01, dont l’équipe est co-PI, qui vise la caractérisation précise des émissions en polarisation de la poussière et le synchrotron galactique afin de pouvoir diminuer leur contamination dans la mesure des anisotropies en polarisation du CMB et notamment des modes B primordiaux. Ce projet fait suite à l’ERC H2020 COMPET-5 RADIOFOREGROUNDS dans l’équipe était également co-PI. Ce projet a permis la livraison d’un code publique pour la modélisation du champ magnétique galactique et des émissions d’avant-plan en polarisation.
6) LiteBIRD
LiteBIRD est un projet d'expérience satellite de nouvelle génération de la JAXA, la NASA et l'ESA, dont le lancement est prévu en 2033. Il vise la mesure des anisotropies du Fond Diffus Cosmologique en polarisation et notamment des modes B dus aux ondes gravitationnelles primordiales. Cette expérience avec une couverture en fréquences inédites avec 14 bandes en fréquence entre 34 et 448 GHz et une sensitivité exquise, avec 3 instruments LFI, MFI et HFI. Ainsi, elle réalisera la mesure la plus précise de l’énergie de l’inflation ouvrant la porte vers la physique de l’Univers primordial. L’équipe a pris en charge la caractérisation au sol de la mesure de la polarisation avec les instrument à fréquences moyennes et hautes. Nous sommes également impliqués dans la préparation de l’analyse des données et notamment en ce qui concerne la calibration en vol et de la correction des effets systématiques. Nous participons également aux études de physique en incluant la mesure de l’effet SZ et des émissions d’avant-plan en polarisation. La compréhension de ces dernières sera fondamentale pour réaliser les objectifs cosmologiques.
7) SO
L’expérience Simons Observatory (SO), qui vise la mesure des anisotropies en température et polarisation du CMB avec une précision inégalée, est en cours d’installation dans le désert d’Atacama au Chili. Avec six instruments de type SAT (small aperture télescope) et un LAT (large aperture télescope) SO permettra à la fois l’étude des modes B primordiaux en polarisation du CMB comme la cartographie de la matière dans l’Univers grâce à l’effet de lentille gravitationnelle et à l’effet SZ. Il s’agit à la fois d’un projet avec un très grand potentiel scientifique dans le domaine d’intérêt de notre groupe et aussi un pathfinder de luxe pour les instruments de nouvelle génération comme CMB-S4. Dans le cadre de l’appel à projet CNRS AAR, nous proposons la construction et l’équipement d’un SAT avec un nouvel instrument basé sur la technologie KID développée par le GIS-KID à Grenoble. En termes de mesure de la polarisation nous envisageons d’utiliser une technologie similaire à celles de NIKA et NIKA2. Visant un instrument observant à haute fréquence (supérieure à 200 GHz) et grâce à la technologie KID, nous pourrions avoir une contribution significative à SO de part : 1) une meilleure couverture du plan focal, 2) de la redondance pour la soustraction de la contamination atmosphérique et 3) un bras de levier en fréquence plus important pour réduire la contribution de la poussière galactique aux modes B primordiaux du CMB. Dans l’hypothèse d’un financement en 2024 il est réaliste d’envisager une installation dans la deuxième phase de l’exploitation (Advanced SO). Nous souhaitons également nous investir sur les analyses cosmologiques dans le cadre de l’effet de lentille gravitationnelle et des amas de galaxies. Ces analyses ont de forts liens avec nos travaux actuels dans le LPSZ et constitueront un tremplin pour notre participation à CMB-S4 et LiteBIRD.
8) CMBS4
CMB-S4 est la prochaine génération d’expérience CMB au sol, qui, avec un 0.5 million de détecteurs couvrant une gamme de fréquence de 20 à 300GHz, mesurera la température et la polarisation du CMB avec une précision jamais atteinte. Son programme scientifique ambitieux couvre la recherche de mode B primordiaux signant l’inflation, la recherche de nouvelles particules reliques, la détermination de la hiérarchie de masses des neutrinos, la compréhension de la formation des structures ou encore l’étude de l’univers transitoire. L’expérience, qui inclut 3 SAT de 0,6 m de diamètre et un LAT de 5 m de diamètre installés au pôle Sud, ainsi que 2 LAT de 6 m dans le désert de l’Atacama, devrait être construite en 2026 pour une première lumière en 2032. L’équipe et les services techniques sont déjà engagée dans le développement de l’électronique de lecture à température ambiante et dans le Data Management du projet. Nous visons une contribution forte à la reconstruction de l’effet de lentille gravitationnelle et à la cosmologie avec les effets SZ thermique et cinétique.
9) Les projets passés de l'équipe
Les projets passés de l’équipe sont :
- NIKA :
La caméra NIKA, également construite et conçue par la collaboration NIKA2 avec une contribution majeure du LPSC. Son champ de vision était plus petit (1,8 arcmin) du fait du nombre réduit de détecteurs (356). Elle a été utilisée au télescope de 30 mètres de l’IRAM de 2012 à 2015.
Dans ce cadre, nous avons observé un échantillon de six d’amas en SZ. Avec NIKA, nous avons effectué la première cartographie SZ avec une caméra à base de KID [R. Adam et al., A&A 2014]. L’observation de l’amas MACS J0717.5 + 3745 nous a permis de publier deux résultats majeurs : la première cartographie de l’effet Sunyaev-Zel'dovich cinétique indépendante des modèles [R. Adam et al., A&A 2017a] ainsi que la première carte de température obtenue en combinant les données X et SZ [R. Adam et al., A&A 2017b]. Nous avons proposé dans [F. Ruppin et al., A&A 2017] une nouvelle procédure de déprojection non paramétrique de la pression électronique du milieu intra-amas, depuis le cœur de l’amas jusqu’à ses régions périphériques. La totalité des données de cet échantillon pilote a été rendue publique.
NIKA a également permis d’effectuer des observations de haute qualité en polarisation. Nous avons pris en charge la conception et la construction du modulateur de polarisation basé sur une lame demi-onde rotative. En outre, le pipeline de traitement des données polarisées a été développé en collaboration avec l'équipe de l'IPAG. Cela nous a permis d'obtenir les premiers résultats scientifiques en polarisation avec des matrices de KIDs [A. Ritacco et al., A&A 2017, 2018].
Le satellite Planck, dédié à l’études des anisotropies en température et polarisation du Fond Diffus Cosmologique (CMB en anglais), a été un des instruments phares de la cosmologie moderne de la dernière décennie et ses résultats font référence dans la communauté. Planck, dont le lancement a été effectué avec succès le 14 mai 2009 à 13h12 UTC, a été localisé à 1,5 millions de km de la Terre (au point de Lagrange L2). Il était composé de deux instruments, High Frequency Instrument et Low Frequency Instrument, placé au foyer d’un télescope de 1.2 m avec une très large couverture en fréquence, de 30 à 857 GHz, avec des détecteurs limités par le bruit de photon.
Après avoir été fortement impliquée dans la conception et la fabrication de l'électronique de régulation des étages à 20 K (sorption cooler) et 0,1 K, l’équipe s’est investie dans l'analyse des données de l'instrument HFI. En particulier, l’équipe a été responsable de l'analyse des données ordonnées en temps et des effets systématiques dans les cartes en polarisation dus aux fuites de l’intensité. L’équipe s’est fortement engagée dans la mesure des anisotropies en polarisation du CMB ainsi que dans la reconstruction de l’effet de lentille gravitationnelle sur le CMB et l’élaboration d’un catalogue d’amas de galaxies détectés via l’effet SZ. Dans ce cadre, nous avons été responsables de la livraison de plusieurs produits d’intérêt pour la cosmologie incluant la carte de l’effet SZ, la carte des zones de forte émission de la raie de CO et la carte du mode B de polarisation induit par l’effet de lentille. Nous avons également participé aux analyses des émissions d’avant-plan galactique. Les membres de notre équipe ont été membre du « Planck Core Team » et nommés « Planck scientists ». Nous avons ainsi signé tous les papiers de Planck des livraisons cosmologiques 2013, 2015 et 2018. De plus, nous avons été responsables des certains de ces papiers.
Il s’agit d’un projet, aujourd’hui achevé, qui a été à la fois un formidable banc de test pour l'instrument Planck-HFI et une réussite scientifique du point de vue de la mesure des anisotropies du Fond Diffus Cosmologique en température et de l'étude des émissions d'avant-plan.
