Première soutenance de thèse en astrophysique à l’Université Cheikh Anta Diop de Dakar

Le 02 mai 2026, Salma Sylla devient la première docteure en Astrophysique de l’Université Cheikh Anta DIOP de Dakar (UCAD) et du Sénégal.

Salma Sylla a suivi une formation de physicienne, au sein du département de Physique de l’Université Cheikh Anta Diop et de l’ITNA (Institut de Technologies Nucléaires Appliquées). Son parcours a été marqué par un engagement de longue date au sein de l’Association Sénégalaise pour la Promotion de l’Astronomie (ASPA) au sein de laquelle elle a pu bénéficier de soutiens nationaux et internationaux, et d’un environnement favorable à la poursuite de ses rêves astronomiques !

Cette thèse est le fruit d’une collaboration internationale entre l’Université Cheikh Anta Diop de Dakar (UCAD) , l’Université d’Anvers en Belgique, le CNRS (Observatoire de Paris) et l’Institut de Recherche pour le Développement (IRD) en France et l’Observatoire de l’Oukaïmeden au Maroc. Elle a été initiée dans le cadre du programme de l’Initiative Africaine pour le Développement des Sciences Planétaires et Spatiales (AFIPS, https://africapss.org/), visant à renforcer les capacités africaines dans les domaines de l’astronomie et des sciences spatiales. Elle s’est aussi déroulée dans le sillage des missions d’occultation stellaire menées par l’ASPA pour la NASA au Sénégal, portée ainsi par une dynamique positive pour le développement des sciences spatiales au Sénégal. Son doctorat a été encadré par Prof. Ababacar Sadikhe Ndao (UCAD) et François Colas (Obs. Paris), avec les collaborations de Katrien Kolenberg (Univ. Anvers), Zouhair Benkhaldoun (Univ. Cadi Ayyad), David Baratoux (IRD, Toulouse), et Alain Klotz (IRAP, Toulouse).

Les recherches ont porté sur l’étude de deux catégories de phénomènes transitoires en astrophysique. Le premier phénomène concerne les flashs d’impact observés sur Jupiter, tandis que le second traite de la binarité des étoiles variables de type RR Lyrae. Bien que relevant d’échelles très différentes, planétaire pour les impacts sur Jupiter et stellaire pour les RR Lyrae, ces phénomènes ont en commun la variation de luminosité qu’ils produisent.

Les phénomènes transitoires peuvent présenter des variations lumineuses périodiques, comme celles observées chez les étoiles variables ou lors des transits planétaires utilisés dans la détection d’exoplanètes, ou non périodiques, comme dans le cas des flashs d’impact sur Jupiter.

L’étude des impacts sur Jupiter vise à mieux comprendre le taux d’occurrence des collisions entre les planètes géantes et leurs satellites et les astéroïdes rocheux ou glacés  dans le Système solaire externe. Ces informations sont essentielles pour la datation des surfaces rocheuses ou glacés des objets du Système Solaire externe (satellites de Jupiter ou de Saturne, surface de Pluton, etc…).

Concernant les étoiles RR Lyrae, les travaux ont permis d’identifier et de caractériser de nouvelles candidates binaires. L’étude de ces systèmes revêt une importance particulière, car elle permet, grâce à l’application des lois de Kepler, de déterminer directement la masse des étoiles compagnes. Ces mesures constituent un élément clé pour améliorer notre compréhension de l’évolution stellaire et des propriétés physiques des étoiles variables..

Objectif

Les deux phénomènes étudiés dans cette thèse présentent une complémentarité méthodologique importante. Leur analyse repose sur un outil commun : l’exploitation de séries temporelles permettant de détecter, caractériser et modéliser des signatures transitoires.

Les travaux poursuivent un double objectif scientifique. D’une part, l’étude des flashs d’impact sur Jupiter contribue à améliorer notre connaissance de la population des petits corps du Système solaire, tels que les astéroïdes et les comètes, ainsi que de leur fréquence de collision avec les planètes géantes. Ces informations sont essentielles pour mieux comprendre l’histoire collisionnelle du Système solaire.

D’autre part, l’analyse détaillée des variations de période des étoiles RR Lyrae permet d’identifier de nouvelles candidates binaires. La découverte et la caractérisation de tels systèmes constituent une étape importante pour mieux comprendre les propriétés physiques et l’évolution de ces étoiles pulsantes, qui jouent un rôle majeur dans la mesure des distances astronomiques et l’étude de la structure de notre Galaxie.

À travers ces deux axes de recherche, cette thèse met en évidence l’importance des phénomènes transitoires comme outils d’exploration de l’Univers, depuis les petits corps du Système solaire jusqu’aux étoiles variables de notre Galaxie.

Flashs d’impact : Etude de la matière interplanétaire

Les flashs d’impact sont des phénomènes transitoires non périodiques se manifestant par une brève augmentation de luminosité. Ils sont produits lorsqu’un météoroïde, généralement issu de la fragmentation d’un astéroïde ou d’une comète, pénètre à grande vitesse dans l’atmosphère planétaire et y libère une importante quantité d’énergie.

La durée de ces événements est très courte, généralement comprise entre 0,5 et quelques secondes

Ces phénomènes se manifestent suivant deux mécanismes, la rentrée atmosphérique qui se produit aux voisinages des corps dotés d’une atmosphère comme Vénus, la Terre, Mars, Titan, ou Jupiter, ou l’impact au sol qui concerne les objets dépourvus d’atmosphère comme la lune, Mercure, ou certains satellites des planètes géantes, ou lorsque le météroïde est assez gros pour survivre à la rentrée atmosphérique (Mars/Terre/Vénus).

Un exemple de rentrée atmosphérique très connu est celle de l’impact de Schomaker Levy 9 observé en 1994 sur Jupiter par plusieurs astronomes avec des télescopes au sol.

Cette étude s’intéresse exclusivement aux impacts produits par des objets de taille moyenne, dont le diamètre varie de quelques centimètres à quelques dizaines de mètres. Ces événements sont détectés grâce à des observations réalisées à l’aide de télescopes au sol de diamètre modéré.

Les travaux portent plus particulièrement sur les impacts observés sur Jupiter. Ce choix s’explique par le fait que, en raison de sa masse considérable et de sa forte attraction gravitationnelle, Jupiter est la planète du Système solaire qui intercepte le plus grand nombre d’objets interplanétaires. Elle joue ainsi un rôle de laboratoire naturel pour l’étude des phénomènes d’impact.

Entre 2010 et 2025, treize flashs d’impact ont été détectés sur Jupiter par des astronomes professionnels et amateurs. Ces événements ont été attribués à des objets dont le diamètre est estimé entre 5 et 35 mètres, pénétrant dans l’atmosphère jovienne à des vitesses pouvant atteindre environ 60 km/s. L’analyse de ces impacts permet d’améliorer notre compréhension du flux de petits corps dans le Système solaire externe.

Les données exploitées dans le cadre de cette étude proviennent de trois plateformes d’observation complémentaires. Plusieurs campagnes d’observation ont été menées à l’Observatoire de l’Oukaïmeden, au Maroc, à l’aide de télescopes de 11 et 14 pouces de diamètre, ainsi qu’à l’Observatoire du Pic du Midi, en France, où un télescope de 1 mètre a été utilisé.

En plus de ces données, des observations issues du réseau de collaboration scientifique entre astronomes amateurs et professionnels appelé DeTeCt ont été exploitées.
(http://www.astrosurf.com/planetessaf/doc/project_detect.php)

 

 

Pour la recherche de flashs d’impact l’ensemble des données sont analysées suivant la technique de la photométrie différentielle où une image de référence constituée de l’addition des différentes images lumineuses est soustraite d’une image moyenne afin d’avoir une image avec un fond sombre.

Le traitement produit une image résiduelle dont le fond est fortement atténué, facilitant ainsi la détection d’événements lumineux transitoires.

Les observations réalisées sur Jupiter et Saturne ont permis d’analyser plusieurs années de données. Bien que de nombreuses fausses détections aient été identifiées, ce résultat est cohérent avec les expériences menées par d’autres programmes internationaux. Les flashs d’impact sont des phénomènes extrêmement rares : le réseau DeTeCt a analysé plus de 8 000 vidéos sans détection confirmée, tandis que certains observateurs expérimentés ont dû cumuler plusieurs dizaines, voire centaines d’heures d’observation avant de détecter un seul événement. Ces résultats mettent en évidence la difficulté de la recherche de flashs d’impact et l’importance des observations de longue durée.

 

L’étude a permis de préciser la fréquence d’occurrence (1 par an), révélant une activité plus soutenue qu’anticipée.

Ces résultats mettent en évidence la nécessité de multiplier les réseaux de collaboration pour mieux contraindre le taux de flashs d’impact sur les planètes géantes. Beaucoup d’espoirs sont également placés sur les nouvelles missions telles que JUNO (2016), JWST (2021), LSST (2024).JUNO depuis son lancement a découvert 11 flashs dans les hautes couches de Jupiter, dans la bande UV.

Etoiles RR Lyrae : Etude de la binarité

Les étoiles RR Lyrae sont des étoiles dont l’éclat varie régulièrement au cours du temps. Cette variation est due à des pulsations : l’étoile se contracte puis se dilate de façon périodique. Ces étoiles occupent une région particulière du diagramme de Hertzsprung-Russell, appelée bande d’instabilité, où les conditions physiques favorisent ces cycles de pulsation. Grâce à leur comportement régulier, elles jouent un rôle important dans l’étude de la structure et de l’évolution de notre Galaxie.

Les étoiles RR Lyrae présentent des périodes de pulsation comprises entre 0,5 et 1,2 jour. Ces pulsations sont de nature radiale et sont maintenues par le mécanisme κ (kappa), lequel repose sur les variations d’opacité dans les zones de l’étoile où l’hélium (He⁺) et l’hydrogène sont partiellement ionisés.

Les étoiles RR Lyrae sont des étoiles pulsantes dont la variabilité lumineuse est caractérisée par des cycles de pulsation réguliers. Leur période de pulsation est comprise entre 0,5 et 1,2 jour. Ces oscillations sont de nature radiale et sont entretenues par le mécanisme κ (kappa), qui repose sur les variations d’opacité dans les zones partiellement ionisées de l’hélium (He⁺) et de l’hydrogène.

Au-delà de ce phénomène de pulsation, certaines étoiles RR Lyrae présentent une modulation à plus longue échelle temporelle, connue sous le nom d’effet Blazhko. Celui-ci se manifeste par une modulation d’amplitude et de phase susceptible de modifier la forme du signal lumineux, et peut parfois mimer ou masquer d’autres variations temporelles, telles qu’un décalage périodique attribuable à la présence d’un compagnon stellaire.

Dans ce contexte, les travaux menés sur les RR Lyrae visent à analyser les différentes causes possibles de variation de la période, notamment les effets liés à la binarité. Pour ce faire, les données de la base du GEOS (Groupe Européen d’Observations Stellaires) sont utilisées. Cette base constitue une ressource majeure pour l’étude des RR Lyrae.

Les observations dans GEOS sont réalisées à l’aide de télescopes de petit et moyen diamètre (20 à 50 cm), permettant d’atteindre une précision photométrique suffisante pour l’étude fine des variations temporelles.

La recherche de binarité est menée sur un cas d’étude spécifique, l’étoile V1109 Cas, une RR Lyrae. L’analyse du diagramme O–C, construit à partir de neuf années d’observations, met en évidence une modulation de type Blazhko, caractérisée par une forte dispersion des résidus O–C ainsi que des déviations systématiques. Ces signatures peuvent suggérer la présence d’une modulation supplémentaire, potentiellement compatible avec l’hypothèse d’un compagnon stellaire et donc d’un système binaire.

La méthodologie adoptée pour la recherche de compagnon repose sur l’analyse des diagrammes O–C, construits à partir de l’effet de temps de parcours de la lumière (LTTE, Light Travel Time Effect).

Afin d’affiner l’analyse, de nouveaux diagrammes O–C ont été recalculés à partir de courbes de lumière actualisées, permettant ainsi de mieux distinguer les différentes contributions aux variations de période, notamment celles liées aux phénomènes intrinsèques de pulsation et aux effets orbitaux.

Dans le cas où une signature de binarité est suspectée, l’analyse conduit à une optimisation des paramètres orbitaux du système. Cette modélisation permet d’estimer les caractéristiques physiques du compagnon, notamment sa masse.

L’étude de cas de 9 années d’observation de V1109 Cas, comme candidate binaire et étoile RR Lyrae avec un effet Blazhko, a permis de contraindre les différentes causes possibles de variation des diagrammes O-C.

La nouvelle méthode développée permet de séparer les différentes causes de variation de période pour des étoiles modulées à travers l’exploitation des diagrammes O-C.

Le résultat de l’analyse publié dans la revue internationale Astronomy and Astrophysics (https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2024/11/aa50674-24.pdf) montre qu’une rupture de période est une explication plus probable de la variation de la période, cependant une possible binarité n’est pas exclue.

Les résultats de la binarité démontrent une période orbitale de 17 ans, une orbite excentrique et une masse minimale du compagnon de 0.43 masse solaire, une valeur plausible pour un compagnon invisible (valeur compatible avec une naine rouge).

Un suivi photométrique et spectroscopique est recommandé dans les années à venir pour une validation d’un compagnon binaire de V1109 Cas.

Une soutenance devant une large audience composée de personnalités scientifiques remarquables 

La soutenance s’est tenue devant un jury international composé de Professeurs de l’Université Cheikh Anta Diop de Dakar (UCAD), notamment Ababacar Sadikhe, Gayane Faye, Ndeye Arame Boye Faye et Ahmadou Thierno Gaye. Le jury comprenait également Zouhair Benkhaldoun (Université Cadi Ayyad, Maroc), Ines Godonou Salako (Université Nationale d’Agriculture, Bénin), François Colas (Directeur de Recherche à l’Observatoire de Paris, France), ainsi que Katrien Kolenberg (Université d’Anvers, Université Libre de Bruxelles et KU Leuven, Belgique).

La présentation a réuni un large public scientifique et institutionnel, incluant des acteurs clés de l’initiative spatiale sénégalaise, tels que le Professeur Mary Teuw Niane, ancien Ministre de l’Enseignement Supérieur, de la Recherche et de l’Innovation, et Maram Kaïré, Directeur de l’Agence Sénégalaise d’Études Spatiales (ASES), qui porte depuis plusieurs années le projet d’observatoires astronomiques au Sénégal. Plusieurs organisations impliquées dans le déroulement de ce doctorat, et plus généralement la promotion des sciences et des STEM en Afrique étaient également représentées, notamment l’IRD, l’ASPA, l’AFSTech/Sénégal et l’OWSD/Sénégal, ainsi que des directeurs nationaux, des députés de l’Assemblée nationale et de nombreux étudiants en sciences.

Par ailleurs, plusieurs collaborateurs internationaux ont suivi la soutenance en ligne, parmi lesquels David Baratoux (Institut de Recherche pour le Développement, IRD) et Sylvain Bouley (Université Paris-Saclay), tous deux impliqués dans les thématiques des flashs d’impact, ainsi qu’Alain Klotz (Institut d’Astrophysique de Toulouse), collaborateur dans le domaine des étoiles variables.

Enfin, la soutenance a bénéficié d’une large couverture médiatique, relayée par plusieurs presses locales et différentes plateformes en ligne.

Cette première thèse en astrophysique soutenue à l’UCAD marque une avancée majeure pour le développement de la recherche en astronomie et en sciences spatiales au Sénégal. Elle illustre également l’importance des collaborations internationales et des mécanismes de financement dans la formation d’une nouvelle génération de chercheurs africains dans ces disciplines stratégiques.

Remerciements

Les travaux ont bénéficié du soutien de plusieurs organismes de financement. La Fondation Father Louis Bryns a accordé une bourse ayant permis un séjour de formation en Belgique afin d’acquérir les bases fondamentales en astrophysique nécessaires au démarrage du doctorat, le programme VLIRUOS a permis de mener d’autres visites en Belgique tout au long du doctorat. La bourse d’excellence du Ministère de l’Enseignement Supérieur, de la Recherche et de l’Innovation (MESRI) du Sénégal a contribué au financement des études doctorales. Des visites scientifiques à l’Observatoire de Paris et à l’Observatoire du Pic du Midi ont été rendues possibles grâce à une bourse du Service de Coopération et d’Action Culturelle (SCAC) de l’Ambassade de France. Enfin, les campagnes d’observation menées à l’Observatoire de l’Oukaïmeden ont été soutenues par une subvention de l’Organisation pour les Femmes en Science pour le Monde en Développement (OWSD).

Article écrit par Salma Sylla & David Baratoux