80 ANS D’ALFRED VIDAL-MADJAR : UNE CARRIÈRE RICHE EN DÉCOUVERTES
Fin 2022, des chercheurs et chercheuses de laboratoires européens, dont des étudiantes et étudiants qu’il a formés, se sont réunis pour célébrer les 80 ans d’Alfred Vidal-Madjar, chercheur émérite de l’Institut d’astrophysique de Paris. Lors de cette célébration, de nombreuses personnes se sont exprimées pour saluer la carrière remarquable de ce chercheur qui a marqué l’astrophysique française, des expériences pionnières de l’exploration spatiale au début des années 1970 jusqu’aux observations des exoplanètes avec les instruments les plus puissants des années 2020. Il fut souligné à l’unanimité non seulement de l’originalité des recherches menées par Alfred Vidal-Madjar avec nombre de succès et de grandes premières, mais aussi l’esprit d’initiative qui l'ont conduit à aborder des sujets nouveaux, propices aux découvertes, sans a priori et avec le plaisir de se questionner sans cesse.
Réaction d’Alfred Vidal-Madjar, chercheur émérite de l’Institut d’astrophysique, à la projection retraçant sa carrière.
Crédit : J. Mouette
Alfred Vidal-Madjar a commencé ses recherches sous la direction de Jacques-Emile Blamont (alors directeur du Service d'aéronomie du CNRS, situé à Verrières-le-Buisson) avec les premières observations spatiales de la haute atmosphère de la Terre, à l’aide de la raie de Lyman-alpha solaire de l’hydrogène dans l’ultraviolet lointain mesurée avec une expérience embarquée, à bord du satellite OSO 5 (du programme Orbiting Solar Observatory) lancé en 19691,2,3. Puis sachant que cette fameuse raie Lyman-alpha existait aussi pour l’isotope lourd de l’hydrogène formé lors du Big Bang, le deutérium, Alfred Vidal-Madjar proposa de l’observer dans le milieu interstellaire4, à l’aide du satellite Copernicus. Lyman Spitzer, Président du Département d’Astronomie de l’Université de Princeton, et qui pilotait cet observatoire spatial, fut très surpris de voir cette proposition d’observation lui parvenir car non seulement il n’y avait pas à cette époque de programme d’observateurs invités (en anglais GO pour Guest Observer) mais aussi parce que son groupe n’y avait pas pensé. Grâce à Roger-Maurice Bonnet (alors directeur du Laboratoire de Physique Stellaire et Planétaire, situé à Verrières-le-Buisson) qui avait mis en place un des premiers programmes de GO sur l’expérience française à bord du satellite OSO 8 de la NASA, il fût possible d’obtenir qu’un programme similaire de GO soit mis en place sur le satellite Copernicus, dont Don York était devenu le responsable, donnant finalement accès à ces données uniques sur le deutérium. Le deutérium étant un traceur de la densité baryonique de l’Univers et de l’évolution chimique des galaxies, lorsque Alfred Vidal-Madjar rejoignit l’IAP, à l’invitation de son directeur d’alors, Jean Audouze, il mena, en interaction forte avec ce dernier5,6,7 de nombreuses campagnes d’observations pour mesurer l’abondance du deutérium qui, complexité supplémentaire, semble être inhomogène8,9. Une autre méthode d’observation du deutérium interstellaire10 fût par la suite proposée par Guillaume Hébrard. Un autre élément léger, le lithium, dont l'abondance et le rapport isotopique représentent d’autres indicateurs de la nucléosynthèse primordiale et de l'évolution stellaire, a également fait l'objet d'importantes campagnes d'observations au sol à très haute résolution spectrale11, menées avec Martin Lemoine pour diversifier la recherche observationnelle dans ce domaine associé à l’évaluation du contenu en baryons de l’Univers. La question du deutérium est ainsi devenue un des objectifs majeurs de la mission spatiale FUSE (Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer), mise au point par la NASA en collaboration avec l’agence spatiale française, le CNES et l’agence spatiale canadienne, la CSA12. FUSE fut lancé le 24 juin 1999 et grâce à la forte participation du CNES à la mise au point des réseaux holographiques, un savoir-faire unique en France de la Société Jobin-Yvon, Alfred Vidal-Madjar fut naturellement désigné co-investigateur (Co-I) français de la mission.
Alfred Vidal-Madjar accompagné de son collègue Roger Ferlet, avec lequel il a mené de nombreuses campagnes d’observations dans tous les domaines de recherches qu’il a abordés, dont l’abondance du deutérium.
Crédit : A. Lecavelier
Alfred Vidal-Madjar, dès 1978, propose l'existence d'un nuage interstellaire très proche vers lequel le Soleil et tout son Système seraient en train de plonger5 (voir le roman de Fred Hoyle : « Le nuage noir »). D'intenses campagnes d'observation au sol et depuis l'espace ont ensuite permis d'explorer la structure du milieu interstellaire local et de découvrir le « Nuage Interstellaire Local » (LIC pourLocal interstellar Cloud en anglais) existait bien, et que d'autres équipes internationales ont continué à observer. Le LIC est maintenant bien caractérisé. C'est au cours d’une de ces campagnes qu'est survenue la fameuse et brillante supernova 1987A, visible à l’œil nu, qui a permis l'étude fine d'un milieu intergalactique entre la Voie lactée et le Grand Nuage de Magellan13. Par la suite d'autres milieux intergalactiques ont également été sondés vers des quasars en termes d'abondance du deutérium.
On ne peut évoquer la carrière et les découvertes d’Alfred Vidal-Madjar sans mentionner l’étoile Bêta Pictoris et la découverte de ses exocomètes. Tout a commencé en octobre 1984 avec les premières observations, à nouveau par spectroscopie de la composante gazeuse du disque circumstellaire de Bêta Pictoris dont l’image venait d’être publiée14. Puis Alfred Vidal-Madjar, Roger Ferlet et Lew Hobbs, ont noté des variations rapides dans les spectres de cette étoile particulière. Il a fallu beaucoup d'imagination pour proposer l'idée en 1987 qu'on observait le passage d'exocomètes devant Bêta Pictoris15 (qu’on appelle des « transits »). Malgré les nombreux arguments observationnels et théoriques16 originaux développés avec Hervé Beust et Anne-Marie Lagrange, il a fallu aussi beaucoup de temps pour que cette idée soit enfin acceptée, grâce en particulier aux remarquables observations d’exocomètes17,18, menées par Flavien Kiefer et Alain Lecavelier des Etangs.
Une autre observation majeure fut faite lors de suivis photométriques de l’étoile Bêta Pictoris : une étrange occultation très significative fut détectée en 198119 grâce à Christian Nitschelm et interprétée par Alain Lecavelier des Etangs comme un possible transit soit d’une planète géante, soit d’une gigantesque comète devant l’étoile. Depuis, Anne-Marie Lagrange à bien découvert deux planètes en orbite autour de Bêta Pictoris20,21, mais qui ne correspondent pas à l’évènement de 1981. Une explication reste encore à trouver.
Ces résultats sur les exocomètes anticipèrent de huit ans la découverte de la première exoplanète autour d’une étoile semblable au Soleil. Trente-cinq ans plus tard, des centaines d’articles scientifiques ont été consacrés au système de Bêta Pictoris, confirmant l’hypothèse audacieuse des exocomètes15,16,23. En particulier maintenant plusieurs familles de comètes ont été identifiés17 dans ce système et leur signature directe en photométrie confirme définitivement leur existence18. L’environnement de ce système planétaire jeune est aujourd’hui, de loin, le plus étudié pour son contenu en gaz, poussières, astéroïdes, comètes et planètes15,24,25.
Les découvertes les plus récentes réalisées par Alfred Vidal-Madjar sont celles relatives aux exoplanètes et à l’observation de leurs atmosphères. Tout a commencé avec l’annonce de la découverte de l’exoplanète HD 209458b en transit devant son étoile. Fort de son expérience de l’observation de la haute atmosphère de la Terre avec le satellite OSO-5 dans les années 19701,2, du milieu interstellaire et des exocomètes, Alfred Vidal-Madjar a rapidement proposé l’observation avec le Télescope Spatial Hubble de l’atmosphère de ces exoplanètes en transit par spectroscopie d’absorption, et en particulier de l’hydrogène de la haute atmosphère dans la fameuse raie Lyman-alpha. Cette observation a permis l’une des premières détections de l’atmosphère d’une exoplanète et la découverte de l’évaporation des exoplanètes proches de leur étoile26,27. Avec près de mille citations, l’article publié dans Nature qui décrit cette découverte est parmi les articles sur les exoplanètes ayant un premier auteur français les plus cités. Aujourd’hui, vingt ans plus tard et après quelques débats (tout comme pour la découverte des exocomètes qui a mis du temps à être acceptée par la communauté scientifique), de nombreuses autres observations conduites par des dizaines d’équipes à travers le monde avec des instruments les plus divers ont confirmé le phénomène d’évaporation, qui aujourd’hui permet de comprendre les propriétés particulières des systèmes planétaires très différents du nôtre. Ainsi, ces travaux pionniers dirigés par Alfred Vidal-Madjar ont contribué à faire de l'étude des atmosphères des exoplanètes un sujet majeur de l'astrophysique moderne28,29,17,25,18 dont une observation de la Terre comme si c’était une exoplanète28 avec David Ehrenreich et Luc Arnold.
Alfred Vidal-Madjar entouré de trois chercheurs dont il a dirigé ou codirigé la thèse, Guillaume Hébrard (à gauche), Jean-Michel Désert (arrière-plan au centre), Alain Lecavelier des Etangs (au centre), ainsi que de David Ehrenreich (avant-plan à droite) dont la thèse fut dirigée par ce dernier, et Sylvestre Lacour du LESIA (à droite), ayant participé au support français pour la mission FUSE à Baltimore (États-Unis). Crédit : D. Ehrenreich
Durant sa carrière, Alfred Vidal-Madjar a formé de nombreux jeunes scientifiques, dont beaucoup ont par la suite créé de nouvelles équipes de recherche, encadrant à leur tour de nouvelles générations d'astronomes. Il a également assuré un intérim à la direction de l'Institut d'astrophysique de Paris en 1989-1990, co-organisé plusieurs colloques internationaux à l'IAP et ailleurs, écrit plusieurs livres de vulgarisation scientifique, donné de nombreuses conférences publiques, et enseigné à l'École Polytechnique. C'est en échangeant avec un autre professeur de cette école prestigieuse, Michel Spiro, qu'est née l'expérience EROS qui visait à rechercher la matière noire située dans la Voie Lactée par effet de microlentille gravitationnelle30, une puissante méthode mise en œuvre par la première grande collaboration entre physiciens des particules et astrophysiciens, dont le premier événement mondial à être détecté fut publié en 1993. Cette technique fut par la suite utilisée pour détecter des exoplanètes, et continue à l’être, par des collaborations semblables aux deux originales, EROS (Expérience pour la Recherche d'Objets Sombres) et MACHO (Massive Compact Halo Objects), telles que OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment), MOA (Microlensing Observations in Astrophysics), PLANET (Probing Lensing Anomaly NETwork), Omega (Observing Microlensing Events of the Galaxy Automatically), et plus récemment PRIME (PRime-focus Infrared Microlensing Experiment).
La richesse de la carrière d'Alfred Vidal-Madjar lui a valu de recevoir plusieurs prix, notamment la Médaille d'Argent du CNRS en 1988, et le Prix Ampère de l'Académie des sciences en 2007.
La célébration des 80 ans d'Alfred Vidal-Madjar, à laquelle étaient présents et présentes, de gauche à droite, les chercheurs et chercheuses Clément Ranc, Vincent Bourrier, Anne-Marie Lagrange, Florence Durret, Flavien Kiefer, toutes et tous anciennes et anciens doctorants de l'IAP.
Crédit : D. Ehrenreich
Fin 2022, des chercheuses et chercheurs de laboratoires européens, dont des étudiantes et étudiants qu’il a formés, se sont réunis pour célébrer les 80 ans d’Alfred Vidal-Madjar. Cet évènement fut organisé par Guillaume Hébrard, Alain Lecavelier des Étangs, Martin Lemoine, tous de l'IAP, et Guy Perrin, du Laboratoire d'Etudes Spatiales et d'Instrumentation en Astrophysique (LESIA ; Observatoire de Paris). Lors de cette célébration, de nombreuses personnes se sont exprimées pour saluer sa carrière et l’originalité de ses recherches. Don York chercheur émérite de l’Université de Chicago, a tenu à être présent par visio-conférence lors de cette célébration pour rappeler la contribution d’Alfred Vidal-Madjar à aventure du deutérium interstellaire et à diverses découvertes sur le milieu interstellaire et les vents stellaires, grâce à l’observatoire spatial Copernicus au milieu des années 1970 jusqu’à FUSE dans les années 2000. Lew Hobbs, également présent par visio-conférence, a raconté l’histoire de la découverte des exocomètes de Bêta Pictoris.
Alfred Vidal-Madjar a encadré nombre de thèses de doctorat : Claudine Laurent (1978), Cécile Gry (1983), Roger Ferlet (1986), Anne-Marie Lagrange (1989), Hervé Beust (1990), Jean-Philippe Beaulieu (1996), Alain Lecavelier des Etangs (1997), Guillaume Hébrard (2000 ; en codirection avec Roger Ferlet), et Jean-Michel Désert (2009 ; en codirection avec Roger Ferlet).
 Don York chercheur émérite de l’Université de Chicago (en haut à gauche), et Lew Hobbs (au centre en bas), tous deux présents par visio-conférence, ainsi que Jean Audouze (au centre), et Roger-Maurice Bonnet (tourné vers l’écran). Crédit : J. Mouette |
 Les 80 bougies qui seront soufflées avec aisance par le nouvel octogénaire. Crédit : J. Mouette |
Articles
1. Article (en anglais) dans Planetary and Space Science 20, 1147 (1972) : Vidal-Madjar, A., & Bertaux, J. L., « A calculated hydrogen distribution in the exosphere »
2. Article (en anglais) dans Journal of Geophysical Research 78, 1115 (1973) : Vidal-Madjar, A., Blamont, J. E., & Phissamay, B., « Solar Lyman alpha changes and related hydrogen density distribution at the Earth's exobase (1969-1970) »
3. Article (en anglais) dans Planetary and Space Science 26, 863 (1978) : Vidal-Madjar, A. & Thomas, G. E., « The terrestrial hydrogen problem »
4. Article (en anglais) dans The Astrophysical Journal 211, 91 (1977) : Vidal-Madjar, A., Laurent, C., Bonnet, R. M., et al., « The ratio of deuterium to hydrogen in interstellar space. III. The lines of sight to Zeta Puppis and Gamma Cassiopeiae »
5. Article (en anglais) dans The Astrophysical Journal 223, 589 (1978) : Vidal-Madjar, A., Laurent, C., Bruston, P., Audouze, J., « Is the solar system entering a nearby interstellar cloud? »
6. Article (en anglais) dans Astronomy and Astrophysics 138, 285 (1984) : Vidal-Madjar, A., & Gry, C., « Deuterium, helium, and the Big-Bang nucleosynthesis »
7. Article (en anglais) dans Space Science Reviews84, 297 (1998) : Vidal-Madjar, A., Ferlet, R., & Lemoine, M., « Deuterium Observations in the Galaxy »
8. Article (en anglais) dans Astronomy and Astrophysics 338, 694 (1998) : Vidal-Madjar, A., Lemoine, M., Ferlet, R., et al., « Detection of spatial variations in the (D/H) ratio in the local interstellar medium »
9. Article (en anglais) dans The Astrophysical Journal Supplement Series 140, 67 (2002) : Lemoine, M., Vidal-Madjar, A., Hébrard, G., et al., « Deuterium Abundance toward G191-B2B: Results from the FUSE Mission »
10. Article (en anglais) dans Astronomy and Astrophysics 354, L79 (2000) : Hébrard, G., Péquignot, D., Vidal-Madjar, A., Walsh, J. R., Ferlet, R., « Detection of deuterium Balmer lines in the Orion Nebulae »
11. Article (en anglais) dans Astronomy and Astrophysics 269, 469L, (1993) : Lemoine, M., Ferlet, R., Vidal-Madjar, A., Emerich, C., Bertin, P., « Interstellar lithium and the Li7/Li6 ratio toward rho Oph. »
12. Article (en anglais) dans Advances in Space Research 6, 163 (1986) : Vidal-Madjar, A., « The Fuse/Lyman observatory »
13. Article (en anglais) dans Nature 333, 432, (1988) : Andreani, P., Vidal-Madjar, A., « The intergalactic medium towards supernova 1987A »
14. Article (en anglais) dans Astronomy and Astrophysics 167, 325 (1986) : Vidal-Madjar, A., Hobbs, L. M., Ferlet, R., et al., « The circumstellar gas cloud around Beta Pictoris »
15. Article (en anglais) dans Astronomy and Astrophysics 185, 267, (1987) : Ferlet, R., Hobbs, L. M., & Vidal-Madjar, A., « The Beta Pictoris circumstellar disk. V. Time variations of the Ca II-K line »
16. Article (en anglais) dans Astronomy and Astrophysics 202B, (1990) : Beust, H., Lagrange- Henri, A. M., Vidal-Madjar, A. & Ferlet, R., « The beta Pictoris circumstellar disk. X. Numerical simulations of infalling evaporating bodies »
17. Article (en anglais) dans Nature 514, 462K (2014) : Kiefer, F., Lecavelier des Etangs, A., Boissier, J., Vidal-Madjar, A., Beust, H., Lagrange, A.-M., Hébrard, G. & Ferlet, R., « Two families of exocomets in the β Pictoris system »
18. Article (en anglais) dans Nature Scientific Reports 12, 5855 (2022) : Lecavelier des Etangs, A., Cros, L., Hébrard, G., et al., « Exocomets size distribution in the β Pictoris planetary system »
19. Article (en anglais) dans Astronomy and Astrophysics 299, 557L (1995) : Lecavelier Des Etangs, A., Deleuil, M., Vidal-Madjar, A., Ferlet, R., Nitschelm, C., Nicolet, B.& Lagrange-Henri, A. M., « β Pictoris: evidence of light variations »
20. Article (en anglais) dans Astronomy and Astrophysics 493, L21 (2009) : Lagrange, A. -M., Gratadour, D., Chauvin, G., et al., « A probable giant planet imaged in the β Pictoris disk. VLT/NaCo deep L'-band imaging »
21. Article (en anglais) dans Nature Astronomy 3, 1135 (2019) : Lagrange, A. -M., Meunier, N., Rubini, P., et al., « Evidence for an additional planet in the β Pictoris system »
22. Article (en anglais) dans Planetary and Space Science 50, 1161 (2002) : Vidal-Madjar, A., « D/H observations in the interstellar medium »
23. Article (en anglais) dans Astronomy and Astrophysics 290, 245 (1994) : Vidal-Madjar, A., Lagrange-Henri, A.-M., Feldman, P. D., et al., « HST-GHRS observations of β Pictoris: additional evidence for infalling comets »
24. Article (en anglais) dans Planetary and Space Science 46, 629 (1998) : Vidal-Madjar, A., Lecavelier des Etangs, A., & Ferlet, R., « β Pictoris, a young planetary system? A review »
25. Article (en anglais) dans Astronomy and Astrophysics 607, A25 (2017) : Vidal-Madjar, A., Kiefer, F., Lecavelier des Etangs, A., et al., « Fe I in the β Pictoris circumstellar gas disk. I. Physical properties of the neutral iron gas »
26. Article (en anglais) dans Nature 422, 143 (2003) : Vidal-Madjar, A., Lecavelier des Etangs, A., Désert, J.-M., et al., « An extended upper atmosphere around the extrasolar planet HD209458b »
27. Article (en anglais) dans The Astrophysical Journal 604, L69 (2004) : Vidal-Madjar, A., Désert, J.-M., Lecavelier des Etangs, A., et al., « Detection of Oxygen and Carbon in the Hydrodynamically Escaping Atmosphere of the Extrasolar Planet HD 209458b »
28. Article (en anglais) dans Astronomy and Astrophysics 523, 57 (2010) : Vidal-Madjar, A., Arnold, L., Ehrenreich, D., et al., « The Earth as an extrasolar transiting planet. Earth's atmospheric composition and thickness revealed by Lunar eclipse observations »
29. Article (en anglais) dans Astronomy and Astrophysics 560, 54 (2013) : Vidal-Madjar, A., Huitson, C. M., Bourrier, V., et al., « Magnesium in the atmosphere of the planet HD 209458 b: observations of the thermosphere-exosphere transition region »
30. Article (en anglais) dans Nature 365, 623 (1993) : Aubourg, E., Bareyre, P., Bréhin, S., et al., « Evidence for gravitational microlensing by dark objects in the Galactic halo »
Rédaction et contact
- Alain Lecavelier des Etangs
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Avril 2023