Marianne Lemoine, astrophysicienne des rayons cosmiques, médaillée d’argent du CNRS 2026
Astrophysicienne, directrice de recherche au LP2I Bordeaux (CNRS / Université de Bordeaux), Marianne Lemoine perce les mystères des rayons cosmiques, ces particules ultra-énergétiques – principalement des protons – qui sillonnent l’Univers à des vitesses proches de celle de la lumière. Pour ce faire, elle étudie par le biais de grands télescopes spatiaux et terrestres le rayonnement gamma émis par ces particules lorsqu’elles sont propulsées à travers le cosmos par des accélérateurs cosmiques d’une puissance inouïe. Pulsars, explosions d’étoiles… les méthodes d’analyse développées par Marianne Lemoine permettent d’identifier ces accélérateurs de particules à partir de vastes ensembles de données expérimentales. Un parcours jalonné de découvertes et de défis technologiques auprès de collaborations internationales telles que H.E.S.S. ou Fermi, au plus près de l’Univers des très hautes énergies, qui lui vaut aujourd’hui la médaille d’argent du CNRS.
Il suffit parfois d’une rencontre pour susciter une vocation. Dans le cas de Marianne Lemoine, cette rencontre a pris le visage de Bernard Degrange, directeur de recherches au CNRS : « En Master à Centrale Paris, je m’étais orientée vers une spécialisation en physique des plasmas. Bernard, en me présentant ses recherches, a attisé ma curiosité pour ce domaine qui m’était parfaitement étranger, les rayonnements gamma. C’est ainsi que l’idée a germé ». Il lui propose un stage, puis une thèse : la voilà plongée dans la physique des hautes énergies et dans l’aventure de H.E.S.S., un réseau de télescopes dédié à l’étude des rayons gamma, au cœur du désert namibien.
Le moment est idéal. Au début des années 2000, alors que Marianne Lemoine débute sa thèse, l’installation progressive des télescopes H.E.S.S. en Namibie est en pleine activité. « On arrivait dans une période incroyablement excitante », se souvient-elle. Le ciel gamma, jusque-là presque désert, se peuple soudain de sources nouvelles : en quelques mois, on passe d’une dizaine de sources connues à une soixantaine. Durant sa thèse, l’équipe observe même les premiers signaux gamma issus de vestiges de supernovæ, ces coquilles de matière en expansion laissées par l’explosion d’une étoile. « On ne pensait pas que H.E.S.S. aurait la sensibilité pour tracer l’onde de choc qui accélère les particules. Cette première observation nous a pris de court, et a participé à orienter mes recherches vers les vestiges de supernovæ. »
Après sa thèse, Marianne Lemoine rejoint Bordeaux pour participer à une autre aventure scientifique : le satellite gamma GLAST, de la NASA, qui sera lancé en 2008 sous le nom de Fermi. Le satellite promet à la communauté des observations de rayons gamma de plus basse énergie permettant d’identifier la nature des particules accélérées, là où H.E.S.S., sensible aux plus hautes énergies, permet de contraindre la puissance maximale des accélérateurs cosmiques. Là encore, le timing est parfait. « Je me rappellerai toujours du lancement de Fermi. On avait invité tout le laboratoire pour regarder la retransmission », raconte-t-elle en riant. « Un léger décalage entre l’image et le son nous a fait croire à un problème. La fusée décollait avant la fin du décompte ! » Mais plus de peur que de mal : quelques semaines plus tard, la collaboration publiait la première carte du ciel gamma obtenue par le satellite.
Au fil des années, Fermi révèle des milliers de sources gamma dans la galaxie. Encore faut-il parvenir à les identifier. L’un des défis consiste à distinguer les sources ponctuelles, comme les pulsars, des structures étendues, telles que les vestiges de supernovæ ou les nébuleuses de pulsars. Pour relever ce défi, Marianne Lemoine obtient en 2010 une bourse européenne ERC Starting Grant. Son objectif : développer une nouvelle méthodologie d’analyse capable de repérer automatiquement ces sources étendues dans les données du satellite. « Le problème, c’est qu’on est noyés dans le bruit de fond des rayons cosmiques qui interagissent partout dans la galaxie », explique-t-elle.
Avec son équipe, elle met au point une méthode itérative capable de reconstruire la morphologie des sources gamma à partir de modèles successifs. Un travail de longue haleine, parfois laborieux, mais les efforts finissent par payer : en 2017, l’équipe publie un catalogue de sources étendues détectées automatiquement dans les données de Fermi. Une avancée majeure pour comprendre les accélérateurs cosmiques de notre galaxie.
Ces recherches l’amènent à étudier un large panel de sources galactiques étendues, en particulier les vestiges de supernovæ, un domaine qui avait suscité ses premières passions avec H.E.S.S.. En combinant observations gamma et modélisations multi-longueurs d’onde, elle met en évidence les mécanismes d’accélération de particules à l’œuvre dans ces objets. Dans certains cas, l’émission observée suggère que des protons accélérés entrent en collision avec des nuages de gaz environnants, produisant ainsi les rayons gamma détectés.
L’ensemble des travaux de Marianne Lemoine, combinés aux recherches menées en parallèle dans ce champ disciplinaire, a contribué à faire progresser notre compréhension globale des phénomènes cosmiques : « Ce qu’on a appris ces dernières années, c’est que les accélérateurs de rayons cosmiques ne sont pas forcément ceux qu’on attendait », souligne-t-elle. Les vestiges de supernovæ, longtemps considérés comme les principaux responsables, ne semblent pas toujours les plus efficaces. D’autres environnements astrophysiques, comme les régions de formation d’étoiles, pourraient jouer un rôle majeur grâce à l’effet cumulatif de plusieurs sources d’énergie.
Pour percer les nombreux mystères qui entourent encore les rayons cosmiques, de nouveaux instruments se préparent. L’un d’eux occupe une place particulière dans le parcours de Marianne Lemoine : le futur observatoire CTAO (Cherenkov Telescope Array Observatory). « Cela fait plus de vingt ans qu’on l’attend », rappelle-t-elle. Dès 2005, alors qu’elle était encore doctorante, la communauté des astrophysiciens gamma se réunissait pour imaginer cette nouvelle génération de télescopes. Aujourd’hui, les installations commencent à voir le jour. « La résolution angulaire et la sensibilité vont être extraordinaires. CTAO, c’est le futur de mes recherches sur les rayons cosmiques »
Parallèlement, elle s’implique dans un autre projet international : à l’occasion d’un séjour à l’institut Max-Planck, permis par l’obtention du prix Humboldt, elle découvre le projet SWGO, un observatoire de rayons gamma à grand champ de vue en cours de développement au Chili. Contrairement à CTAO, qui scrutera précisément des régions ciblées du ciel, SWGO surveillera en permanence une grande partie de la voûte céleste. « Si une source inattendue apparaît quelque part, SWGO la verra », explique la chercheuse. « Ensuite, CTAO pourra pointer ses télescopes vers cette région pour l’étudier en détail. La complémentarité entre les deux outils sera excellente. »
Au-delà de ses recherches, Marianne Lemoine joue aujourd’hui un rôle central dans plusieurs collaborations internationales, dont Fermi, H.E.S.S., CTAO et SWGO. Au LP2I Bordeaux, elle dirige également le groupe d’astrophysique du laboratoire et encadre une équipe composée de chercheurs permanents et doctorants. Pour elle, cette médaille d’argent CNRS est le corollaire de la dimension collective de son travail : « Cette distinction est une reconnaissance des collègues. Elle est d’autant plus appréciée qu’entre les premières idées et les résultats, il y a eu énormément de travail, notamment dans le cadre de l’ERC, où mon équipe et moi avons pas mal ramé avant de concevoir notre méthode d’analyse. C’est un vrai plaisir de voir ce travail récompensé aujourd’hui ! »