Glast : Gamma Ray Large Area Space Telescope

Généralités

Thématique et contexte du projet Glast (Gamma-Ray Large Area Space Telescope) est un satellite international dont le lancement par la NASA est prévu en février 2007 et qui est destiné à observer le ciel en rayons gamma de 20 MeV à plus de 300 GeV pour étudier les astres les plus énergétiques de l’Univers: petits et grands trous noirs, sursauts gamma, étoiles à neutrons, restes de supenova et sources de rayons cosmiques. Il apportera également des informations importantes en cosmologie, sur la matière noire et le milieu interstellaire.
La détection et le suivi quotidien de l’activité de milliers de noyaux actifs de galaxie et de nombreux microquasars dans la Voie Lactée permettront de mieux décrire la physique des disques d’accrétion et les mécanismes de propulsion des jets relativistes. Les observations continues de Glast apporteront en particulier des contraintes utiles sur la fréquence des phases actives et les transitions entre périodes d’intense activité et de calme. Il sera également possible de suivre l’évolution des trous noirs supermassifs jusqu’à des périodes très reculées (z = 4) et de la comparer à l'évolution des galaxies et des grandes structures dans l’Univers. En parallèle, Glast apportera une mesure indirecte du fond diffus infrarouge des galaxies à faible z.
Un programme très complet de détection et de suivi des sursauts gamma est prévu de 10 keV à 300 GeV pour étudier les explosions d’hypernova et leurs conséquences sur le milieu environnant, ainsi que pour rechercher la nature des sursauts courts d’origine encore inconnue.
La poignée de pulsars gamma répertoriés à ce jour ne permet pas de comprendre les processus d’accélération de particules pourtant très actifs dans la magnétosphère des étoiles à neutrons, ni de comprendre la propulsion de leurs vents ultra-relativistes et les interactions complexes qu’ils provoquent dans le milieu ambiant. La détection par Glast de centaines de pulsars sur une gamme étendue d’âge et de champ magnétique, jeunes pulsars isolés, vieux pulsars milliseconde et magnétars, devrait enfin permettre de cerner les principaux processus électromagnétiques et de plasma à l’œuvre dans ces conditions extrêmes.
Voilà cent ans que les sources des rayons cosmiques nous échappent. Leur accélération probable par l'onde de choc des restes de supernova doit s'accompagner d'émission gamma qu'on recherche activement pour étudier in situ ce mécanisme et son efficacité. Glast devrait enfin nous apporter ces exemples tant attendus.
Glast contribuera au problème de la matière noire de plusieurs manières, par la recherche de raies d’annihilation de neutralinos, notamment vers le centre de la Voie Lactée, et par la mesure du contenu en gaz froid, invisible en radio, du disque et du halo Galactiques et à la périphérie des galaxies voisines.
L’émission gamma interstellaire étant de loin la plus brillante du ciel, Glast apportera des contraintes très importantes sur la propagation des rayons cosmiques et sur le gaz interstellaire (masse des nuages dans diverses phases, gradient de métallicité, structure siprale…).
Au total, plusieurs milliers de sources gamma sont attendues dès la première année d'observation, en comparaison des 264 sources détectées par Compton-GRO en 9 ans d’observations. L’une des premières tâches sera bien sûr d’identifier les 130 sources de nature encore inconnue du ciel gamma. Glast a une espérance de vie d’au moins 5 ans (10 espérés) et il sera ouvert à la communauté internationale pour des observations invitées à l’issue de la première année.

Localisation Glast doit être lancé par la Nasa en février 2007, sur une orbite basse (550-600 km) avec une inclinaison de 28 degrés.

Collaboration La Collaboration Glast regroupe des laboratoires de 6 pays, USA, Italie, France, Japon, Suède et Allemagne, sous maîtrise d’œuvre de l’université de Stanford (P.I. : Peter Michelson) pour le télescope LAT et sous maîtrise d'oeuvre du Marshall Space Flight Center (P.I.: C. Meegan) pour le moniteur de sursauts gamma GBM.
Glast-LAT aux Etats-Unis : Stanford University et Stanford Linear Accelerator Center, NASA/Goddard Space Flight Center, U. S. Naval Research Laboratory, Ohio State University, University of California at Santa Cruz, Sonoma State University, University of Washington, Texas A&M University-Kingsville
Glast-LAT au Japon : University of Tokyo, Institute for Cosmic-Ray Research, Institute for Space and Astronautical Science, Hiroshima University
Glast-LAT en Italie: ASI et CNR/Istituto di Fisica Cosmica Milano, INFN/University of Bari, INFN/University of Padova, INFN/University of Perugia, INFN/University of Pisa, INFN/University of Rome 2, INFN/University of Trieste, INFN/University of Udine
Glast-LAT en France: CEA/Dapnia, IN2P3/LLR et IN2P3/CENBG
Glast-LAT en Suède: Royal Institute of Technoclogy KTH et Stockholms Universitet.
Glast-GBM: NASA/Marshall Space Flight Center et Max-Planck Institut für Extraterrestriesche Physik en Allemagne

 

Approche scientifique

Moyens d'investigation Glast apparaît comme l’unique satellite gamma de haute énergie de la prochaine décennie. En France, XMM, Swift, Integral, Glast, Celeste, CAT et Hess devraient nous fournir à court terme une couverture en énergie inégalée du keV à 10 TeV et une opportunité extraordinaire d'effectuer des observations simultanées avec des sensibilités comparables, condition essentielle pour comprendre les sources gamma éminemment variables. Le couplage des observations gamma spatiales et au sol permettra de tirer pleinement parti de leurs atouts respectifs : grand champ et résolution spatiale moyenne en orbite contre petit champ et bonne résolution au sol.

Instruments Glast comportera un télescope gamma de nouvelle génération, LAT, sensible de 20 MeV à 300 GeV, et plusieurs détecteurs de sursauts gamma, GBM, sensibles de 20 keV à 25 MeV. L’ensemble du télescope LAT comprend un trajectographe à pistes de silicium et feuilles de tungstène, chargé de convertir les photons gamma en paires électron-positon et de localiser la trace de leurs trajectoires (collaboration USA, Italie, Japon); un calorimètre en cristaux scintillants de CsI chargé de recueillir et mesurer l’énergie des paires (collaboration USA, France, Suède); un dôme de tuiles de scintillateur plastique utilisées en anti-coïncidence pour repérer le passage des particules cosmiques chargées (USA); un système d’acquisition et de traitement des données enregistrées à bord (USA). Le trajectographe et le calorimètre sont subdivisés en 16 tours identiques.

Spécificités Les atouts de Glast-LAT permettent, pour un encombrement et un poids comparable à ceux des instruments précédents, d’atteindre une sensibilité trente fois supérieure aux performances actuelles, une résolution angulaire permettant de localiser les sources à quelques minutes d’arc seulement et un grand champ de vue (2.6 sr) pour suivre la variabilité des sources au fil des mois. Il balaiera le ciel en totalité chaque jour.

Les chercheurs du SAp apportent une expertise importante sur les thèmes suivants :
* la détection de sources gamma par des méthodes non paramétriques comme les ondelettes et l’identification des sources à d’autres longueurs d’onde,
* l’émission gamma interstellaire dans la Voie Lactée et les galaxies normales et les propriétés du gaz interstellaire,
* l’accélération des rayons cosmiques dans les restes de supernova et leur propagation,
* l’émission gamma des pulsars et de leurs nébuleuses synchrotron,
* les processus d’accrétion et d’éjection des microquasars,
* le Centre Galactique.

 

Contribution du Dapnia

Responsabilités scientifiques et techniques Sur le plan technique, en réponse à l’appel d’offre de la NASA, le DAPNIA a pris en 2000 la responsabilité du développement et de la fabrication des 1536 cristaux-détecteurs du calorimètre et le LLR de l’école Polytechnique a pris en charge l’étude et le développement de la structure mécanique du calorimètre. L’étude au Sédi des asics de lecture des cristaux-détecteurs a dû être abandonnée en 2000 faute de personnel. La maîtrise d’œuvre du montage du calorimètre (hors électronique), étudiée avec l'IN2P3 en 2000 et 2001, a dû être abandonnée début 2002. L’étude, le prototypage, la fabrication et la validation de cristaux-détecteurs pour l’Engineering Model et des bancs de test associés ont été effectués en 2001 et 2002. La fabrication en série des cristaux-détecteurs de vol n’a pu suivre à cause de l’arrêt du programme au Cnes en mai 2003.
Sur le plan scientifique, en réponse à l’appel d’offre de la Nasa, Isabelle Grenier (Dapnia) et Seth Digel (Université de Stanford) ont pris la responsabilité, pour la Collaboration, de la mise au point et de la production du catalogue des sources de Glast-LAT et du modèle d’émission interstellaire. Ces produits doivent être livrés à la Nasa et à la communauté après 1 an, 2 ans et 5 ans de d’observations. Les sources seront identifiées autant que faire se peut avec des objets connus à d’autres longueurs d’onde. La responsabilité de la production du catalogue des sources a été confiée au SAp qui produit également le logiciel d’identification des sources (recherche de contreparties dans des catalogues à d’autres longueurs d’onde) et le logiciel d’accès aux catalogues astronomiques de contreparties potentielles.
Ces activités font l'objet d'une lettre d'accord avec la Nasa(LoA DSM/DIR/AJC/04-0070-DR/MCO) et d'un MoU avec l'Université de Stanford et le SLAC (MoU LAT-MD-00610-05, DSM/DIR/AJC/04-0256-DR/MCO) signés en janvier et mars 2004.

Services SAp, Sédi et SIS

 

Etats et perspectives

Dates importantes sélection de la Collaboration le 28/2/00
LAT Preliminary Design Review le 08/01/02
LAT Critical Design Review le 12/5/03
Livraison de 44 cristaux équipé de leur diode de lecture fin 06/03 pour essais d'étalonnage sur faisceau Cern
livraison de LAT fin 2005
lancement de Glast en février 2007
opérations : 5 + 5 ans

Etat au 31 décembre 2003 Les années 2000-2002 ont été dévolues à l’étude et au développement du calorimètre et en particulier des cristaux-détecteurs (CDE) au Dapnia. Chaque CDE comporte un cristal scintillant de Iodure de Césium chargé au Thallium (CsI(Tl)), de 26.7x19.7x326 mm3, habillé d’un film réfléchissant (VM2000) afin d’optimiser la collecte de lumière aux extrémités. Celle-ci est assurée par deux photodiodes PIN, montées sur un support céramique commun, dont l'association permet de couvrir la très large gamme en énergie des paires électrons-positons. Les doubles photodiodes, équipées de leur connectique, sont collées à chaque extrémité du cristal. Les points critiques de ces études étaient la fiabilité de la qualité optique du collage et du fonctionnement des diodes aux tests thermiques de qualification (-40°C,+90°C).
En janvier 2003, 16 CDE conçus et réalisés au Dapnia ont été envoyés au NRL. Ils ont été intégrés au modèle d’ingénierie pour valider les performances physiques et techniques d’une tour calorimétrique. Ces CDE ont au préalable été mesurés et controlés sur divers bancs à Saclay (banc de cosmiques au SEDI, banc de mesures mécaniques et banc à muons au SAp). Les CDE ont pleinement répondu, optiquement, thermiquement et mécaniquement aux contraintes du cahier des charges. En parallèle, des bancs d'acceptance des photodiodes et des équipements pour le transport de CDE ont été livrés au NRL.
En juillet 2003, 44 CDE supplémentaires ont été fabriqués pour la campagne d’étalonnage du calorimètre au Cern de 2003. La réponse du calorimètre à des faisceaux d’électrons de 10, 20, 50, 80, 120, 150 GeV (réponse aux cascades électromagnétiques), de muons de 20 GeV (calibration) et de pions de 20 GeV (réponse aux cascades hadroniques) a été évaluée et utilisée pour valider les prédictions des simulations Monte-Carlo.

Perspectives Février 2005 : participation au Data Challenge 2 : simulation d’un mois de données LAT pour tester et choisir l’algorithme de détection des sources, tester les outils d’accès aux catalogues astronomiques et d’identification de contreparties potentielles.
Février 2006 : participation au Data Challenge 3 : simulation d’un an de données LAT pour tester grandeur nature la détection et l'identification des sources, avec un modèle interstellaire détaillé.
Février 2007 : lancement et analyse des données

Bilan scientifique et technique

Faits marquants Faits marquants techniques :
livraison en janvier 2003 de cristaux-détecteurs complets pour le modèle d’ingénierie du calorimètre et succès des tests de validation des performances physiques et techniques.
livraison en juillet 2003 de cristaux-détecteurs pour les tests d'étalonnage du calorimètre au Cern.
Faits marquants scientifiques :
en 2000 : mise en évidence d’une nouvelle population de sources gamma dans la Ceinture de Gould (I. Grenier)
en 2002 : estimation des performances du calorimètre comme détecteur d’électrons cosmiques du TeV et mise au point d’une nouvelle méthode de détection des sources gamma par ondelettes (thèse de R. Terrier)
Décembre 2003 : participation au Data Challenge 1 ou première simulation de données (6 jours) représentatives de LAT pour tester les algorithmes de détection de sources brillantes (J. Ballet, I. Grenier et R. Terrier)

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Maj : 16/03/2010 (370)

 

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