© Frédérique PLAS / LERMA / CNRS Photothèque

Françoise CombesAstrophysicienne

Médaille d’or du CNRS

Grande exploratrice du cosmos et spécialiste des galaxies, Françoise Combes est astrophysicienne au Laboratoire d’études du rayonnement et de la matière en astrophysique et atmosphères (Lerma)1 et professeure au Collège de France. 

Françoise Combes, 68 ans, astrophysicienne au Laboratoire d’études du rayonnement et de la matière en astrophysique et atmosphères, titulaire depuis 2014 de la chaire Galaxies et cosmologie au Collège de France, est lauréate de la médaille d'or du CNRS 2020. « Elle était déjà revenue en 1983 à Evry Schatzman avec qui j'ai démarré ma carrière », s'amuse la lauréate, faisant remarquer que la boucle est en quelque sorte bouclée.

Après l'École normale supérieure (ENS), rue d'Ulm, et une agrégation de physique, Françoise Combes démarre sa carrière dans cette discipline par un DEA de physique quantique puis une thèse de 3e cycle en astrophysique théorique avec Evry Schatzman donc, sur le modèle cosmologique symétrique entre matière et anti-matière. Puis elle entame une thèse d'État et se consacre à une toute nouvelle discipline : la chimie du milieu interstellaire. À l'époque, seules quelques molécules ont été détectées entre les étoiles de la Voie lactée, mais on soupçonne qu'une chimie complexe s'y trame. La jeune chercheuse traque donc des molécules dans le ciel avec des télescopes de nouvelle génération : la parabole de 12 mètres de Kitt Peak en Arizona, l'antenne de 5 mètres à McDonald, au Texas, ou celle de l’Aerospace Corporation, en Californie. Quelques minutieuses sessions d'observation plus tard, elle cosigne une première scientifique : la détection de la molécule CO (monoxyde de carbone) non pas dans la Voie lactée mais dans la galaxie d'Andromède, à 2,2 millions d'années-lumière de la Terre.

  • 1. Unité CNRS/Observatoire de Paris-PSL/Sorbonne Université/Université de Cergy-Pontoise.

AU CŒUR DE L’ANATOMIE GALACTIQUE

Après ce succès retentissant, la chercheuse décroche un poste d’assistante puis de maître-assistante à l'ENS, avant de devenir sous-directrice du Laboratoire de physique à l'ENS, fonction qu'elle occupera entre 1985 et 1989. « Dans le même temps, je dispensais aussi des cours à Paris 6 tout en m'efforçant, en vain, d'y obtenir un poste permanent. Ceci dit, je ne regrette rien : en 1989, j'ai finalement été recrutée comme astronome à l'Observatoire de Paris, un statut qui me permettait enfin de me consacrer quasi exclusivement à la recherche ! ». Sur le terrain plusieurs semaines par an, elle multiplie les campagnes d'observation2. Dans ses filets en forme d'antennes radio, elle attrape de nombreuses autres molécules, et recherche entre autres la glycine, l'oxygène et l'eau, tapies dans des galaxies très lointaines.

Entre 2001 et 2008, elle dirige d’ailleurs le Programme national Galaxies, l’un des programmes nationaux portés par l’Institut national des sciences de l’Univers du CNRS. À partir de 2005, elle collabore, avec des équipes de l’Institut d’astrophysique de Paris et du Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives, au nouveau programme Horizon, financé par l'Agence nationale de la recherche. Dans ce cadre, son équipe construit une bibliothèque de fusions de galaxies. « C'est une énorme base de données qui recense des galaxies de toutes masses et de tous types et dont on peut simuler à loisir les interactions et les fusions », explique-t-elle avec passion.
À force de jouer avec ses danseuses cosmiques virtuelles et de pointer télescopes et antennes géantes vers le ciel, elle dissèque les galaxies et révèle les secrets jusqu'alors insoupçonnés de leur physionomie. C'est en effet à ses travaux que l'on doit notamment l'explication de la formation des bulbes dans les galaxies spirales.

EXPERTE ÈS MATIÈRE NOIRE

Françoise Combes est également l'une des grandes expertes françaises ès matière noire. Le destin des galaxies est en effet intimement lié à celui de cette matière invisible qui constitue plus de 80 % de toute la matière contenue dans l'Univers et dont la nature n'a toujours pas été découverte. « Dès après le big bang, la matière noire influe sur la formation des galaxies, explique la chercheuse. Ces dernières se constituent en effet au centre des halos de matière noire. »

  • 2. Notamment avec l’antenne de 15 mètres du SEST (Swedish-ESO Submillimetre Telescope), au Chili, et la grande antenne de 30 mètres de l’Institut de radioastronomie millimétrique, près de Grenade, en Espagne.
Formation des bulbes due à la barre dans les galaxies spirales. En haut, deux galaxies barrées vues par la tranche, qui montrent une forme de cacahuète (à gauche) ou une forme de boîte (à droite). Ces images ont été obtenues avec le télescope spatial Hubb

Dès qu'elle se met à ausculter les galaxies, Françoise Combes se penche sur les différents modèles de matière noire, mais aussi sur des scénarios alternatifs. Pour elle, pas de doute : la quête des wimps ou neutralinos, ces particules théorisées dès 1985, va prendre un nouveau tournant. « Cela fait trente-cinq ans qu'on cherche ces wimps avec d'immenses détecteurs, toujours plus puissants. Il est temps de suivre d'autres pistes. » Des pistes qu'elle s'efforce de défricher en même temps qu'elle tente de découvrir ce qui se cache derrière la matière normale invisible. « On le sait moins, mais seulement 10 % de cette matière, dite baryonique, est visible : ce sont les étoiles, les galaxies, les amas de galaxies. » Selon les modèles qu'elle développe, une partie serait constituée de gaz moléculaire froid et sombre.

Françoise Combes aime à expliquer que, contrairement à plusieurs de ses collègues, elle n'a jamais, enfant, observé les étoiles dans un télescope. « Ce n'est qu'assez tard, lors du choix d'un sujet de thèse, que je me suis dirigée vers la cosmologie. » Cette passion pour l'astrophysique ne la quitte jamais vraiment, car même quand elle s'adonne à la peinture, un de ses loisirs, elle représente souvent des galaxies spirales.

Françoise Combes et Stéphane Corbel, directeur de la Station de radioastronomie de Nançay – à la fois site d’observation et laboratoire instrumental – spécialisée dans le domaine de la radioastronomie basse fréquence.
Simulation de galaxies en interaction en gravité modifiée (Modified Newtonian Dynamics – MOND). À gauche, les observations des antennes (en vert les étoiles, en bleu le gaz d'hydrogène). À droite, la simulation en gravité modifiée.

DANS L’INTIMITÉ DES GALAXIES

La chercheuse a contribué à révéler avec plus de détails que jamais l'anatomie des galaxies. Dans les années 1970-80, alors que les premières simulations numériques sont réalisées en deux dimensions, elle a l’idée de les faire, plus réalistes, en trois dimensions. Une astuce qui offre un nouveau point de vue. Elle résout ainsi un mystère jusqu’alors inexpliqué : la formation d'un bulbe (sorte de renflement) dans les galaxies spirales. La clé de l'énigme est la barre centrale, sorte de forme allongée centrale où toutes les étoiles se rassemblent. « Cette barre soulève les étoiles dans la direction perpendiculaire au plan, explique-t-elle. De ce fait, les étoiles ne restent pas confinées dans un disque très mince mais prennent de l’altitude, ce qui forme un bulbe. » Ses simulations ont aussi montré comment la même barre précipite le gaz vers le centre, ce qui a pour effet d'alimenter le trou noir central.

CV

  • 1975  : Agrégation de physique
  • 1975  : Assistante à l'École normale supérieure, Paris
  • 1978  : Maître-assistante à l'École normale supérieure, Paris
  • 1980  :  Doctorat d’État en astrophysique de l’université Paris Diderot (Paris 7)
  • 1985-1989 : Sous-directrice du Laboratoire de physique de l'École normale supérieure, Paris
  • 1989-2014  : Astronome à l'Observatoire de Paris
  • 2001 :  Médaille d’argent du CNRS
  • 2001-2008 : Codirectrice du Programme national Galaxies du CNRS
  • 2004  : Élue membre de l’Académie des sciences
  • 2014  : Professeure au Collège de France (chaire Galaxies et cosmologie)
  • 2019  : Vice-présidente de l'Assemblée des professeurs du Collège de France