L'astrophysique des hautes énergies et des astroparticules étudie les phénomènes les plus extrêmes de l'univers : explosion d'étoiles massives, formation et évolution d'objets compacts (étoiles à neutrons, trous noirs), accélération de particules à des énergies relativistes, émission d'ondes gravitationnelles ou de neutrinos de très haute énergie, etc. Les observations actuelles s'étendent généralement sur l'ensemble du spectre électro-magnétique et parfois jusqu'aux nouveaux messagers non-photoniques. Ces observations multi-longueurs d'onde ou multi-messagers sont la clé pour comprendre la physique extrême des sources. Ces dernières années, le domaine multi-messagers est devenu une réalité avec la première détection conjointe d'ondes gravitationnelles (GW) provenant de la fusion binaire d'étoiles à neutrons GW170817, de sa contrepartie électromagnétique (sursaut de rayons γ courts et kilonova), et la découverte des premières sources de neutrinos cosmiques associées à un blazar brillant et variable. Malgré plusieurs décennies d'observations, de nombreuses questions restent ouvertes dans la compréhension des phénomènes de haute énergie dans l'univers, telles que l'origine de la matière noire dans l'univers, quelle est l'influence des objets compacts (trou noir, étoile à neutrons, etc.) sur leur environnement, comment les étoiles massives explosent à la fin de leur vie, la formation/croissance des trous noirs, quelle est la nature, l'origine et le rôle des particules cosmiques à haute et ultra-haute énergie, quel ciel sera révélé par les nouvelles astronomies GW et neutrino, etc. De nombreux instruments (LSST, SKA, CTA, SVOM, LISA avancé, LIGO-Virgo, KM3NeT...) seront en service au cours de la prochaine décennie et au-delà.
LISA ouvrira l'astronomie GW à basse fréquence (fréquences de l'ordre du mHz), complétant les instruments terrestres (gamme de quelques Hz à kHz). À ces basses fréquences, les sources comprennent les trous noirs (BH) massifs en fusion, les objets compacts capturés par ces BH, l'inspiration précoce des BH en fusion de type LIGO-Virgo, et environ cent millions de binaires galactiques de type naine blanche, dont environ vingt mille seront détectés. Cela poussera les études de la physique des BH dans les systèmes binaires à travers l'échelle de masse, des objets stellaires de ∼ 10 M⊙ aux BH super-massifs jusqu'à ∼ 108 M⊙ à l'autre extrême du spectre de masse, à travers l'univers entier. Au début des années 2030, la combinaison avec les observations électro-magnétiques d'ATHENA, JWST, ELT offrira des opportunités scientifiques uniques dans le domaine multi-messager.
Malgré les preuves gravitationnelles, la nature et les propriétés de la matière noire restent insaisissables. L'identification de cette composante de l'univers est l'un des principaux défis de la prochaine décennie. L'énigme de la matière noire est une question interdisciplinaire couverte par les communautés de la physique des particules, de la cosmologie et de l'astrophysique. La résolution de ces questions nécessite des efforts importants sur les études théoriques, y compris la modélisation du halo, les simulations de galaxies, la phénoménologie au-delà du modèle standard et les calculs de taux de détection, ainsi qu'un effort continu sur la détection directe dans un accélérateur (ATLAS) ou dans des expériences dédiées (DarkSide, MadMax) et sur la détection indirecte en utilisant des messagers cosmiques tels que les anti-protons, les positrons, les neutrinos, les rayons gamma dans des régions très propices (Soleil, centre galactique ou halo, galaxies naines...).
Liste des principales missions/projets associés à ce thème :