LUTH - Observatoire de Paris

Le LuTh est devenu le Lux au 1er janvier 2025

Mene Stephane — 2025-09-04T09:38:18Z

Le LUX (Laboratoire d'étude de l'Univers et des phénomènes eXtrêmes) est l'un des trois départements scientifiques de l'Observatoire de Paris-PSL, grand établissement regroupant un quart des forces nationales dans le domaine de l'astronomie-astrophysique.

Le LUX aborde une grande diversité de thèmes en astrophysique, centrés sur l'étude des phénomènes extrêmes et des processus aux échelles (extra)galactiques. Toutes les méthodologies de l'astrophysique moderne sont mises à contribution : théorie, simulations, observations, instrumentation, astrophysique de laboratoire… La centaine de personnes composant le laboratoire est répartie sur trois sites : les campus de Meudon et de Paris de l'Observatoire de Paris et celui de Jussieu de Sorbonne Université. Les trois tutelles de l'unité sont l'Observatoire de Paris, le CNRS et Sorbonne Université. Le LUX est organisé autour de trois équipes scientifiques et une instrumentale.

Laboratoire d'étude de l'Univers et des phénomènes eXtrêmes

Testing the presence of a fifth force at the Galactic Center

Bernard Laura — 2024-11-15T08:42:39Z

The presence of stars orbiting at the Galactic Center, all placed within an arcsecond distance from the supermassive black hole Sagittarius A*, allow us to test the current theory of gravity outside the Solar System, in an completely different environment from those tested so far.
In this talk I'll show how the orbital motion of star S2, and specifically the astrometric data collected by GRAVITY, places quite strong constraints on the presence of an hypothetical fifth force, which appears as a Yukawa-like modification to the Newtonian potential. The strongest constraint is found for lambda \sim 10^14 m, for which we found |alpha| < 0.0017 at 95% confidence level, improving by one order of magnitude previous estimates of the same quantity (see Hees et al. 2017). Some future prospects for this work will be also shown.

Black Holes beyond General Relativity : Uniqueness & Dynamics

Bernard Laura — 2024-11-07T09:37:20Z

Recent astrophysical observations of electromagnetic and gravitational emission from close to black-hole horizons offer novel tests of General Relativity (GR) in the strong-gravity regime. Constraining potential deviations requires reliable predictions not just in but also beyond GR. To set the stage, I discuss different assumptions about physics beyond GR and resulting expectations about where to look for deviations.
In the first part of my talk, I will focus on black-hole uniqueness and how to leverage VLBI observations of the photon ring to constrain the underlying spacetime. In particular, I will discuss how to systematically parameterize potential deviations and demonstrate a systematic lensing-band framework to obtain robust constraints.
In the second part of my talk, I will focus on the dynamical strong-gravity regime and how to leverage observed binary waveforms to constrain the effective field theory (EFT) of gravity. In particular, I will summarise recent progress on well-posedness that place numerical relativity in the EFT of gravity on the same solid mathematical footing as in GR.

Contrasting neutron star heating mechanisms with Hubble Space Telescope observations

seminaire — 2024-10-04T16:45:53Z

Passively cooling neutron stars would reach very low surface temperatures $T_s < 10^4$ K within $<10^7$ yr. However, likely thermal UV emission has been detected in HST observations of 4 much older neutrons stars (2 “classical” and 2 millisecond pulsars), implying $T_s ∼ 10^5$ K.
We computed their evolution with different heating mechanisms, finding that the relevant ones are rotochemical heating and vortex creep. The former consists of non-equilibrium beta reactions induced by the continuous spin-down of the NS. If there are superfluid nucleons in its core, chemical energy is stored until a threshold is reached. Then, part of the energy is rapidly released, raising the temperature. If the protons in the core are superconducting, the magnetic flux is concentrated in quantized flux tubes. Outside the flux tube cores, protons are superconducting, while inside they remain non-superconducting, so reactions occur mostly inside. Vortex creep is the friction of the quantized neutron vortices moving through the NS crust.
We find that all the observations can be explained by rotochemical heating with superconducting protons and suitable internal magnetic fields, or by a combination of vortex creep and rotochemical heating with superfluid neutrons.

Marie-Noelle Celerier

seminaire — 2024-09-30T08:19:03Z

La solution homogène et isotrope des équations d'Einstein dite LambdaCDM, assortie de ses perturbations linéaires et d'ordres supérieurs, forme le socle de la cosmologie contemporaine permettant de comprendre, dans ses grandes lignes, l'évolution et la géométrie de notre Univers. Les réflexions suivantes nous incitent à aller plus loin. Tout d'abord, l'homogénéité et l'isotropie de l'Univers ne sont que des propriétés moyennes valables à des échelles qui reculent au fur et à mesure de la découverte de structures à des décalages vers le rouge de plus en plus grands. L'avènement d'une cosmologie de précision conduit ainsi à l'émergence ou à l'amplification de tensions, voire d'anomalies, dues au décalage entre prédictions extrapolées depuis l'Univers lointain et observations à précision accrue de l'Univers proche. La Relativité Générale nous offre une manière de résoudre ces incompatibilités. Le modèle Szekeres est une solution exacte des équations d'Einstein, inhomogène et sans symétrie, capable de représenter la région de notre Univers dominée par la matière et/ou la constante cosmologique, puisque sa source gravitationnelle est un fluide de pression nulle et que la constante cosmologique peut y être incorporée. Son atout majeur est d'inclure la solution homogène et isotrope de Friedmann comme cas limite. Elle est donc susceptible de reproduire naturellemnt la transition homogène/inhomogène
à l'échelle où les fonctions qui la décrivent deviennent analogues aux paramètres cosmologiques standards. Les prédictions les plus robustes de la cosmologie de l'Univers lointain restent ainsi conservées. Au cours de ce séminaire, la solution Szekeres sera présentée avec ses principales propriétés nécessaires à une utilisation dans un contexte cosmologique. Les différentes expériences qui devront être utilisées pour contraindre les fonctions-paramètres qui déterminent le modèle Szekeres d'Univers valable à précision donnée seront décrites et commentées. Les perspectives ouvertes par les réseaux de neurones pour réaliser ce travail d'analyse de grandes quantités de données seront discutées.

Black Hole Jet Launching in Polarized Light

Bernard Laura — 2024-09-06T08:24:34Z

Extragalactic jets throughout the universe transport energy from small scales near a galaxy's central supermassive black hole to extragalactic distances.
These jets may be launched via the Blandford-Znajek (BZ) mechanism, where magnetic fields extract the black hole's spin energy ; however, BZ energy extraction has not yet been confirmed observationally.
In this talk, I will discuss what polarized images of synchrotron radiation from close to the event horizon of the supermassive black hole M87* can tell us about black hole magnetic fields, jet launching, and black hole spin.
Near-horizon Event Horizon Telescope (EHT) images in linear and circular polarization strongly suggest that the accretion disk in M87* is magnetically arrested with coherent and dynamically important magnetic fields.
I will show that the pattern of linear polarization in EHT images directly probes the direction of electromagnetic energy flux, and that the EHT images indicate that electromagnetic energy flows outward on horizon scales around M87*.
The spiral pattern of polarization vectors in EHT images is directly connected to the underlying magnetic field structure ; if the fields are wound up by the black hole, these images will allow precise measurements of black hole spin.
Future EHT observations of M87 will be sensitive enough to detect faint emission both closer to the event horizon and farther downstream in the jet launching region.
These observations will enable a definitive test of the Blandford-Znajek mechanism for powering extragalactic jets.

Internal hydrodynamical shocks as a mechanism for GRB prompt emission

seminaire — 2024-08-29T12:36:39Z

In the wake of recent analytical work highlighting the role as synchrotron emission sources of both the forward and reverse shock emerging from the collision of two ultra relativistic shells, we perform a numerical study of such a system and its observed flux. We precise the hydrodynamical structure, properties, and resulting emission timings by extending the approach to spherical geometry. We confirm the reproduction of GRB spectral features explained by the simpler analytical approach such as the sub-dominant low-energy spectral component and the doubly-broken power-law spectrum without any fine-tuning of the physical conditions, and lay the foundation to explore emission from internal shocks of more complex outflows.

Radiation-mediated shocks in gamma-ray bursts

Meliani Zakaria — 2024-08-20T11:30:34Z

The origin of the prompt emission in gamma-ray bursts (GRBs) remains highly debated despite decades of research. The GRB jet is initially optically thick and the trapped radiation is released when the jet transitions to the optically thin regime at the photospheric radius. Due to the high radiation pressure close to the central engine, shocks that occur before this transition are radiation mediated. In this seminar, I give an introduction to the theory of radiation-mediated shocks (RMSs) in the context of GRBs. I show that such shocks are expected in GRB jets and that the energized radiation downstream of the shock exhibits several promising features with regard to the observations. However, these shocks are computationally challenging to model from first principles. With this motivation, we have developed an approximate simulation code that is both quick and accurate. The simulation code is unique in its ability to fit an RMS model to the observational data.

Euclid Consortium first science results

Mene Stephane — 2024-05-23T12:41:23Z

Euclid's new image of galaxy cluster Abell 2390

@ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA, image processing by J.-C. Cuillandre (CEA Paris-Saclay), G. Anselmi ; CC BY-SA 3.0 IGO or ESA Standard Licence

On Thursday May 23rd, the Euclid Consortium, including members of LUTH/Paris Observatory-PSL, releases its first science results as well as 5 new breathtaking images.

You can find below the full press release of LUTH/Paris Observatory-PSL

GW230529 : Observation de la fusion d'une étoile à neutrons et d'un objet compact inconnu

Bernard Laura — 2024-04-08T11:35:53Z

Le 29 mai 2023, durant la première partie de la quatrième période d'observation (O4a) des détecteurs LIGO-Virgo-KAGRA, une fusion particulière de deux astres a été observée, GW230529, dont l'une des composantes de nature incertaine a une masse plus grande que ce qui est attendu pour des étoiles à neutrons et plus faible que ce qui est attendu pour des trous noirs.

La première détection directe d'ondes gravitationnelles par les détecteurs LIGO en 2015 marqua l'aube d'une nouvelle ère pour l'astronomie. Depuis, de nombreuses autres détections d'ondes gravitationnelles ont été faites, provenant de différents types de fusions de systèmes binaires d'astres compacts, systèmes composés d'étoiles à neutrons et/ou de trous noirs. Pour GW230529, malgré le fait que seul un des détecteurs (LIGO-Livingston) a produit des données utilisables au moment de l'événement, les techniques et méthodes d'analyse poussées tel que le filtrage adapté ont permis de l'identifier clairement.

Illustration montrant les composantes de certains évènements d'ondes gravitationnelles qui se trouvent dans, ou proche de, la région de 3 à 5 masses solaires, aussi appelée « mass gap ». Les cercles bleu clair représentent les sources qui sont des étoiles à neutrons, les cercles noirs représentent les sources qui sont des trous noirs, et les cercles noirs avec un point d'interrogation indiquent les sources qui sont probablement des trous noirs mais qui sont aussi possiblement des étoiles à neutrons. L'astre le plus massif de GW230529 est situé dans cet intervalle de masse.
Crédits : S. Galaudage, Observatoire de la Côte d'Azur.

Depuis plusieurs années les scientifiques pensent qu'il n'existe pas d'astre compact (ni étoile à neutrons, ni trou noir) dans un intervalle de masse entre 3 masses solaires et 5 masses solaires, appelé le mass gap. La raison en est que les étoiles à neutrons ont une masse maximale autour de 3 masses solaires et que la formation d'un trou noir stellaire avec une masse aussi faible est difficile. Avec une masse estimée à environ 3.6 masses solaires de l'objet le plus massif, GW230529 est le premier candidat pour un système binaire avec une composante dans ce mass gap. Étant donné notre compréhension actuelle des populations d'étoiles à neutrons et trous noirs, cette masse est compatible (avec une probabilité de 99%) avec un trou noir. Toutefois, la probabilité que ce soit une étoile à neutrons est faible mais non nulle. Ainsi, nous ne pouvons pas exclure avec certitude le scénario où cette composante est une étoile à neutrons. En revanche, le second objet de GW230529, dont la masse a 90% de chance de se trouver entre 1.2 masses solaires et 2.0 masses solaires, est très probablement une étoile à neutrons. Grâce à une composante se trouvant très probablement dans le mass gap, GW230529 est une excellente observation pour raffiner nos modèles d'évolution et fin de vie des étoiles normales (séquence principale).

Le processus de formation de GW230529 est assez incertain. Les connaissances actuelles des supernovas gravitationnelles défavorisent ce scénario comme étant à l'origine de la composante inconnue à cause de sa masse. Un scénario plus plausible est une formation par retombée, où un trou noir se forme après la supernova via l'accrétion de matière résiduelle. A ce jour les modèles numériques de ces processus sont toujours sujets à de fortes incertitudes, rendant difficile la détermination précise des limites des masses des étoiles à neutrons et trous noirs. GW230529 est par conséquent un atout précieux pour contraindre ces modèles.

Un autre scénario possible pour la formation de cet astre dans le mass gap est au travers d'une fusion d'étoiles à neutrons. On peut imaginer dans ce cas que l'autre astre de GW230529 serait le membre d'un ancien système triple. Enfin une dernière possibilité est que cet autre astre ait été capturé par l'objet inconnu lorsqu'il évoluait dans un jeune amas stellaire ou un noyau actif de galaxie. Nous ne pouvons pas non plus exclure une origine non-stellaire telle qu'un trou noir primordial, formé au début de l'Univers.

Des membres de l'équipe LUTH-Caen à l'intérieur de la collaboration Virgo ont contribué à la validation des analyses sur la détection de cet événement par la collaboration LVK.

Contact : Jérôme Novak, Micaela Oertel, Lami Suleiman

For more information :

https://www.ligo.org/science/GW-GW2.php

https://dcc.ligo.org/P2300352/public/

https://www.ligo.caltech.edu/page/ligo-detectors

https://www.ligo.org/

https://www.virgo-gw.eu/

https://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/