Pauline Zarrouk Cosmologiste au LPNHE

D’où vient l’Univers, où va-t-il, et que faisons-nous dedans ? Autant de questions qui agitent Pauline Zarrouk depuis l’adolescence, orientant, dès le lycée, son regard vers les sciences physiques et la philosophie. La lecture des ouvrages d’Hubert Reeves, alliée à l’enthousiasme d’un professeur de physique, fait le reste. « Hubert Reeves me rendait la cosmologie fascinante, là où mon prof me la rendait accessible… Cette combinaison m’a poussée vers des études de physique fondamentale. »

Très tôt dans son parcours, elle met un pied dans ce qui deviendra son terrain de jeu : la cartographie tridimensionnelle de l’Univers. Sa thèse, réalisée à l’Irfu (CEA), s’inscrit dans le cadre du Sloan Digital Sky Survey, immense relevé du ciel qui a mesuré la position d’un peu plus de deux millions de galaxies pendant vingt ans. En étudiant leur regroupement — et en particulier un échantillon de quasars permettant de remonter jusqu’à environ 10 milliards d’années dans le passé — elle contribue à mesurer et placer des contraintes sur la vitesse d’expansion de l’Univers à différentes époques et à tester la validité de la relativité générale à très grande échelle. Une manière d’entrer de plain-pied dans l’une des grandes énigmes contemporaines : pourquoi l’expansion de l’Univers accélère-t-elle ?

Après la thèse, elle choisit de ne pas suivre la voie la plus directe. « Je pouvais refaire les mêmes analyses avec des données améliorées… mais à cette époque, j’ai préféré explorer de nouvelles méthodes. » Cap sur le Royaume-Uni, à l’Institute for Computational Cosmology de Durham, pour rejoindre la collaboration DESI, qui reprend les objectifs du Sloan Digital Sky Survey en s’appuyant sur un nouveau télescope, plus performant. Là, elle participe à une étape cruciale mais souvent invisible : la sélection des galaxies à observer. « On part de milliards de galaxies détectées en photométrie. Toutes ne sont pas intéressantes pour l’analyse spectroscopique, qui mesurera leur distance, et nous n’avons simplement pas les ressources pour les examiner chacune individuellement. Il faut donc opérer un vaste travail de sélection. »

Un travail d’équilibriste : construire un échantillon représentatif, éliminer les biais, maximiser l’information scientifique. « L’objectif, c’est d’avoir le plus de galaxies possible dans les bonnes tranches de distance, pour reconstruire l’histoire de l’Univers. » Elle co-dirige un groupe de travail chargé de cette sélection pour les galaxies proches, se faisant par la même un nom au sein de la collaboration.

En 2020, elle rejoint le LPNHE comme chargée de recherche au CNRS, au moment idéal pour passer à l’étape suivante : l’analyse des données. Pendant plusieurs années, elle coordonne une analyse clé de DESI, qui vont déboucher sur des résultats majeurs. L’un d’eux, publié en 2024, teste une hypothèse audacieuse : et si l’accélération de l’expansion ne venait pas d’une mystérieuse énergie noire, mais d’une faille dans notre théorie de la gravité ? Verdict : la relativité générale semble toujours fonctionner aux échelles cosmologiques.

Mais l’histoire ne s’arrête pas là. En 2025, avec trois années de données, un autre résultat vient bousculer le scénario dominant, celui d’une « constante cosmologique » inchangée à travers l’histoire de l’Univers, qui décrirait l’accélération de l’expansion de l’Univers. En combinant DESI avec d’autres observations (fond diffus cosmologique, supernovæ), les chercheurs observent en effet des écarts à cette hypothèse : l’accélération de l’expansion pourrait varier dans le temps, remettant en cause l’idée même de constante. « On voit des déviations significatives, mais la statistique n’est pas suffisante pour annoncer une découverte. Pourtant, on sent qu’on est peut-être en train de toucher quelque chose » insiste la chercheuse.

Dans cette aventure collective, Pauline Zarrouk joue un rôle clé, notamment sur les galaxies proches — un échantillon qu’elle a contribué à concevoir dès son post-doctorat. « C’est un échantillon très riche, mais difficile à exploiter », souligne-t-elle. Plus dense, plus exigeant en calcul, il nécessite de développer des méthodes d’analyse nouvelles. C’est précisément ce qu’elle fait aujourd’hui avec ses doctorants. « On peut encore énormément apprendre avec les données actuelles, parce que nos méthodes ne sont pas encore matures. » Un travail de fond, minutieux, qui consiste à traquer les biais, affiner les modèles, pour rendre les analyses toujours plus robustes sans nécessairement changer d’instrument.

La chercheuse s’implique également dans la structuration de la recherche, en France et à l’international. Responsable du projet DESI au CNRS, du groupe DESI au LPNHE mais également co-coordinatrice de l’action nationale Dark Energy pendant cinq ans : « J’aime faire dialoguer les équipes, réfléchir à la stratégie scientifique. Je n’avais pas anticipé d’être confrontée à ces responsabilités si tôt dans ma carrière. Ces responsabilités me demandent de trouver un équilibre entre recherches et management pas toujours évident, mais je pense être en train d’y arriver ».

Les perspectives d’avenir sont vertigineuses. Pauline Zarrouk est en effet largement impliquée dans le projet d’extension de DESI prévu pour l’horizon 2029, qui augmentera à la fois la précision des données actuelles et dévoilera des périodes de l’Univers encore inaccessibles à l’instrument. En parallèle, elle prépare l’après-DESI en contribuant aux discussions autour du projet de relevé spectroscopique MUST, dont le télescope est en cours de construction en Chine, mais également autour du projet européen WST pour l'horizon 2040. « La cosmologie est une discipline en pleine effervescence, nous sommes rentrés dans une véritable ère de la précision. Je ne doute pas que dans les années qui viennent, les prochains instruments révèleront de grosses surprises, notamment sur l’accélération de l’expansion de l’Univers. »

En parallèle de ses recherches, Pauline Zarrouk tient à partager cette aventure scientifique. Interventions en milieu scolaire, festivals mêlant art et science, projets ludiques… Dès ses travaux de thèse, elle sort des murs du laboratoire pour échanger avec les publics. Un engagement renforcé par une prise de conscience progressive : « Des jeunes femmes viennent me voir parce que je suis une femme. Elles ne voient que des hommes dans les conférences et se disent que ce n’est pas pour elles. Je ne l’avais pas réalisé tout de suite car j’ai eu la chance de grandir dans un environnement où le fait que je sois une femme n’a jamais été un facteur dans mes choix de carrière, mais les modèles féminins en science ont un rôle à jouer pour briser certains stéréotypes tenaces ».