Sarah Antier : une approche multimessager de l’astrophysique

Le champ de recherche de Sarah Antier porte sur une branche récente de l'astrophysique, celle dite « multimessager ». Là où l'astrophysique classique observe et étudie le rayonnement électromagnétique (la lumière) émis par les phénomènes de l’Univers, l'astrophysique multimessager associe en outre d’autres sources d’information pour explorer le cosmos. L’une d’entre elles concerne les ondes gravitationnelles, au cœur des recherches actuelles de Sarah Antier. Détectables grâce à des phénomènes violents, comme les collisions de trous noirs, l'effondrement d'étoiles massives ou la fusion d'étoiles à neutrons, « les ondes gravitationnelles renseignent les premiers instants de ces phénomènes, alors que le signal électromagnétique est généralement détecté avec un retard », explique la chercheuse.

La première détection des ondes gravitationnelles

Les ondes gravitationnelles sont détectées pour la première fois en 2015. Jusque-là, elles n’étaient qu’une prédiction de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein et dont l'existence avait été débattue jusqu'à leur détection indirecte en 1974 par Russell Hulse et Joseph Taylor.

Tout change le 14 septembre 2015, un siècle après la publication des équations sur la relativité générale du physicien. Les scientifiques des collaborations LIGO-Virgo annoncent avoir détecté les fameuses ondes gravitationnelles grâce à leurs instruments - des interféromètres géants basés respectivement aux États-Unis et en Europe. Une nouvelle fenêtre s’ouvre alors dans l'observation de l'Univers et la compréhension des phénomènes cataclysmiques.

Une expertise dans les sursauts gamma

Avant même cette révolution scientifique, Sarah Antier s’intéresse déjà aux phénomènes cosmiques explosifs et transitoires les plus énergétiques de l’Univers, et aux objets compacts qui en découlent. « Fille du plateau de Saclay », elle commence sa thèse en 2013 au CEA, à l’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu), où elle travaille sur la préparation de la mission spatiale sino-française SVOM, dont l’objectif est la détection de sursauts gamma.

Les sursauts gamma sont parmi les événements les plus lumineux de l’Univers. Ils correspondent à des brefs et intenses flashs de lumière gamma directement liés à l’effondrement d’étoiles massives ou à la fusion d’objets compacts, et résultant en la formation d’un nouvel objet compact. Celle-ci s’accompagne d’un dégagement de matière sous forme de deux jets collimatés, dans lesquels les photons sont accélérés jusqu’à atteindre des énergies extrêmes : le sursaut gamma.

Rencontre avec l'astrophysique multimessager

Pour Sarah Antier, c'est vers la fin de sa thèse, en 2016, qu’un déclic se fait dans ses recherches. Les collaborations LIGO-Virgo publient alors leurs résultats, un an après la détection du signal : il s'agit bien d'ondes gravitationnelles liées à la fusion de deux trous noirs et non d'un artefact lié au détecteur. Dès lors, les phénomènes transitoires que traque la chercheuse par le biais des sursauts gamma peuvent à présent être simultanément observés par le prisme des ondes gravitationnelles et de la lumière. « Une nouvelle astrophysique montre alors le bout de son nez », on la nomme « astrophysique multimessager ».

Pour la jeune chercheuse, la continuité est évidente : détecter des signaux brefs et imprévisibles dans le ciel correspond exactement aux méthodes qu’elle a développées durant sa thèse. Elle choisit de s’y engager lors d’un postdoctorat qu’elle effectue à l'IJCLab. « C’est cette science que je voulais développer car c’était assez grisant de contribuer activement à ce nouveau domaine de l’astronomie. »

Une course contre la montre cosmique

Grâce à l'avènement de ces nouveaux détecteurs, les objets compacts sont à présent révélés par leurs ondes gravitationnelles. Or la localisation de ces signaux reste très approximative en regard des observations avec les télescopes : la source n'est pas identifiée en un point précis du ciel, mais dans une vaste région. Traquer la contrepartie électromagnétique « revient à chercher une aiguille dans une botte de foin. Pour donner une idée, on parle ici de balayer des centaines de degrés carrés c’est-à-dire une zone de recherche de plusieurs fois la taille apparente de la Lune ! », précise Sarah Antier. Obtenir une photo de ce phénomène est d'autant plus dur que le signal lumineux associé décroît en quelques jours, voire en quelques heures. « Si tu n'es pas là au bon instant, tu ne trouves rien ! », sourit la chercheuse.

Le réseau de télescopes GRANDMA

Dès qu'un signal d'onde gravitationnelle est annoncé, « tout le monde se précipite pour scruter le ciel, dans le désordre et sans grande coordination ». Cette confusion suscite chez Sarah Antier l'idée de créer un réseau de télescopes placés aux quatre coins du globe et disponibles rapidement pour se répartir le travail. En 2018, elle lance le projet GRANDMA (Global rapid advanced network devoted to the multi-messenger addicts) avec ses collègues Nicolas Leroy et Patrice Hello de l’IJCLab, en partenariat avec l’Institut de recherche en astrophysique et planétologie (IRAP) et l’Observatoire de la Côte d’Azur. L'objectif est de « fédérer ce réseau pour scanner efficacement et rapidement la zone de recherche ». Aujourd'hui, le réseau GRANDMA compte plus de 35 télescopes et associe une vingtaine de pays. Il s’entoure de spécialistes de diverses disciplines et développe des outils inédits pour soutenir l’effort multimessager.

L'initiative ne s'arrête pas là. Consciente de l’importance d’être rapide dans ses observations, Sarah Antier lance en 2019, avec Alain Klotz de l’IRAP, le programme Kilonova Catcher, ouvert aux astronomes amateurs et amatrices. « Munis de leur propre télescope, ils et elles contribuent directement à la collecte de données et deviennent même coauteurs et coautrices de nos publications scientifiques. » Une démarche inédite de sciences participatives qui aide à « décloisonner la recherche et à impliquer les citoyennes et citoyens dans l'aventure scientifique. » Cette initiative pionnière lui vaut une reconnaissance internationale. Elle reçoit le prix international L’Oréal-UNESCO Pour les Femmes et la Science et un prix postdoctoral du CNES, qui lui permet de poursuivre ses recherches au sein du réseau GRANDMA. En 2021, elle franchit une nouvelle étape en étant recrutée comme astronome au Conseil national des astronomes et physiciens (CNAP) et devient la première astronome recrutée dans la thématique des ondes gravitationnelles.

Un rêve d'enfance qu'il faut savoir défendre

Devenir astronome est pour Sarah Antier un rêve d'enfance. « Mon père regardait beaucoup de films de science-fiction. » Mais c'est le film Contact, sorti en 1997, qui marque particulièrement la jeune chercheuse. L'histoire suit une astrophysicienne à l’écoute du ciel et qui détecte un jour un signal extraterrestre. « Elle va alors se battre pour sa recherche et défendre ce que lui apprend la science face aux gens qui ne la croient pas. En voyant ce film, je me suis dit : “Voilà ce que je veux faire” ! »

Mais faire (re)connaître la science et prévaloir le point de vue des scientifiques est parfois un combat ardu à mener. Sarah Antier s'inquiète par exemple de la prolifération des constellations de satellites qui gênent l'observation du ciel : « On voit des traces en ligne droite sur nos images. Les opérateurs [Starlink, Amazon...] ont créé un maillage sans concertation réelle avec la communauté des astronomes. Pourtant, la préservation de l'observation au sol est un patrimoine qu'il faut défendre. »

Désormais, la chercheuse se projette vers l'avenir, avec le nouvel observatoire Vera Rubin. Perché dans les montagnes chiliennes, ce télescope « va scanner le ciel en permanence et offrir une nouvelle façon d'observer des phénomènes transitoires et explosifs ». Les images, obtenues dans des longueurs d’onde allant du proche ultraviolet au proche infrarouge, viendront compléter celles des détecteurs d’ondes gravitationnelles. « L’idée est de toujours croiser les sources, les messagers, mais nous avons ici besoin de nouvelles compétences en science des données. L’Université Paris-Saclay est le cadre idéal pour ces recherches car elle permet de jeter des ponts avec d’autres laboratoires du plateau, comme le Laboratoire interdisciplinaire de sciences du numérique (Lisn). J’ai également l’ambition que le projet de sciences participatives s’ouvre à des étudiantes et étudiants en sciences des données, friands de combiner machine learning et astrophysique », conclut Sarah Antier.