Le 10 janvier 2025, le prestigieux Group Achievement Award 2025 a été officiellement décerné par la Royal Astronomical Society (RAS) au consortium de l’European Pulsar Timing Array (EPTA), au sein duquel la contribution française, majeure, est assurée par l’équipe du grand radiotélescope décimétrique de Nançay, opéré par l’Observatoire de Paris - PSL, le CNRS et l’Université d’Orléans.
La Royal Astronomical Society décerne le Group Achievement Award 2025 à un projet scientifique de grande envergure dans lequel la contribution française a été et continue d’être majeure depuis sa création : l’European Pulsar Timing Array (EPTA).
L’EPTA a été fondée au milieu des années 2000 dans le but de révéler les ondes gravitationnelles de très basse fréquence, grâce à l’observation conjointe d’"horloges cosmiques" très précises : les "pulsars". Ce sont des étoiles à neutrons minuscules, mais très denses, dont le battement apparent (correspondant à une rotation stellaire) peut varier, selon leur nature, de quelques secondes jusqu’au rythme extrême de plus de 700 révolutions en une seule seconde : ces pulsars à rotation ultra-rapide sont appelés pulsars "millisecondes". En corrélant les infimes variations des battements de ces étoiles, il est possible de mesurer le passage d’ondes gravitationnelles à très basse fréquence comme celles provenant de systèmes binaires de trous noirs supermassifs présents au centre des galaxies.
Afin de mesurer les variations minimes produites dans l’espace-temps par ces ondes très longues, le consortium EPTA a réuni, au fil du temps, une douzaine d’instituts de recherche et plus de 80 chercheurs (effectif en 2025, étant précisé que beaucoup d’autres se sont succédé au sein de la collaboration) qui ont observé et continuent d’observer des dizaines de pulsars depuis près de 25 ans.
Les toutes premières observations de l’EPTA ont été effectuées au cours des années 1990, avec un réel démarrage du programme en 2006, année de la fondation de la collaboration.
Les campagnes ont été menées par les radiotélescopes européens les plus grands et les plus puissants : Effelsberg (Allemagne), Jodrell Bank (Royaume-Uni), Nançay (France) et Westerbork (Pays-Bas), rapidement rejoints par le radiotélescope de Sardaigne (Italie).
La qualité des données chronométriques acquises avec un radiotélescope, et donc la sensibilité des séries de mesures temporelles aux ondes gravitationnelles, dépendent avant tout d’une instrumentation hors norme, qui permet en temps réel de traiter et d’empiler les impulsions successives reçues des pulsars, puis de corriger l’empreinte laissée par la traversée du milieu interstellaire.
Naissance et composition de l’équipe PTA-France
Après l’impulsion initiale de Jean-François Lestrade et François Biraud (Observatoire de Paris) au milieu des années 1980, Ismaël Cognard, aujourd’hui directeur de recherche CNRS au LPC2E, a développé les différentes générations d’instrumentation "pulsars" qui se sont succédé à l’Observatoire radioastronomique de Nançay depuis les années 1990.
La dernière en date est basée sur une architecture hybride à base de processeurs classiques, de circuits intégrés spécialisés (des FPGAs) et surtout de cartes graphiques surpuissantes qui permettent des milliards d’opérations par seconde. Cette instrumentation permet de traiter au vol une large bande de fréquence radio et d’obtenir des données d’une très grande stabilité et d’une très grande sensibilité. Elle a fourni jusqu’à présent près de 70% des données de chronométrie de l’EPTA, avec de l’ordre de 120 000 mesures entre 2004 et 2024.
Rejoint par Gilles Theureau (astronome à l’Observatoire de Paris et chercheur au LPC2E) au début des années 2000, alors spécialiste des grands relevés extragalactiques en ondes radio, ces deux chercheurs ont fondé ce qui est devenu aujourd’hui l’équipe PTA-France.
Cette équipe multi-sites regroupe des experts des observations multi-longueurs d’onde des pulsars, tels que Lucas Guillemot et Jean-Mathias Griessmeier, astronomes adjoints au LPC2E, des spécialistes de l’analyse des ondes gravitationnelles et du traitement statistiques, Stanislav Babak, directeur de recherche au laboratoire APC (CNRS), Antoine Petiteau et Marc Besançon, chercheurs à l’IRFU (CEA), et des expertes de l’interprétation astrophysique et cosmologique, Marta Volonteri, directrice de recherche à l’IAP pour l’évolution des galaxies et de leur trou noir central, Danièle Steer, professeure au département de Physique de l’ENS pour les théories des cordes cosmiques et de la turbulence dans l’univers primordial, Chiara Caprini professeure à l’Université de Genève et chercheuse au CERN pour le rôle des fluctuations quantiques primordiales et de l’inflation cosmologique.
Plusieurs générations de jeunes chercheurs/chercheuses doctorant.e.s et post-doctorant.e.s se sont également succédé, certain.e.s ayant depuis rejoint d’autres instituts partenaires en Europe ou dans le monde : Grégory Desvignes, employé depuis 15 ans par l’institut Max Planck de Bonn, Antoine Lassus, aujourd’hui enseignant de Physique dans le secondaire, Siyuan Chen, recruté à l’Université de Shanghai, Aurélien Chalumeau, actuellement à l’institut ASTRON aux Pays-Bas, Mikel Falxa, aujourd’hui à l’Université de Milano Bicocca, Hippolyte Quelquejay-Leclere et Sara Manzini actuellement en thèse au laboratoire APC.
Après plus de vingt ans de données accumulées, les premiers résultats en termes de détection d’un signal d’ondes gravitationnelles basses fréquences ont été présentés en 2023, obtenus à partir de l’analyse d’un ensemble de 25 pulsars.
Une nouvelle version est en cours avec un échantillon étendu à 60 pulsars, qui permettra de mieux caractériser le spectre de l’émission et d’améliorer la mesure de sa distribution spatiale sur la sphère céleste.
Gilles Theureau explique : « Les résultats de 2023 sont le fruit d’un effort de grande envergure et de plusieurs décennies où il était décisif de mettre en commun le meilleur de l’instrumentation (dont le grand radiotélescope décimétrique de Nançay) et de la recherche européenne, tant au niveau de l’étude des pulsars que de l’astrophysique des ondes gravitationnelles à période ultra-longue. L’union des moyens techniques et des compétences de chacun a été l’ingrédient fondamental ».
Cette méthode de travail est précisément à la base des raisons qui ont conduit la Royal Astronomical Society à décerner un prix dédié aux "résultats obtenus par un groupe" (Group Achievement Award), comme l’explique l’institut britannique lui-même, en attendant la cérémonie officielle qui aura lieu dans quelques mois : « L’une des forces de l’EPTA est sa structure large, diversifiée et égalitaire. En impliquant des collaborateurs de nationalités et d’horizons différents, et en particulier en encourageant et en soutenant les chercheurs en début de carrière, l’EPTA est un modèle de collaboration internationale et intergénérationnelle. »
