Principe de détection des photons gamma
La méthode de détection des photons gamma d'énergie comprise entre quelques dizaines de MeV à plusieurs dizaines de GeV consiste à utiliser le phénomène physique lié à la conversion du photon gamma incident en une paire électron positon lors de son interaction avec un matériau dense. Ce processus de transformation du photon en deux particules est appelé production de paire. Il s'agit ensuite de suivre les trajectoires des particules créées en cascade à l'intérieur du télescope grâce aux signaux ou traces qu'elles laissent dans une succession de plans de détecteurs. Un dispositif expérimental appelé calorimètre permet finalement de mesurer l'énergie de ces particules énergétiques. A partir de ces paramètres, les scientifiques peuvent reconstituer l'origine sur le ciel du photon gamma de même que son énergie.
Le télescope est constitué d'une succession de couches de plomb faisant office de convertisseur et de plans de détecteurs. Le photon gamma incident interagit avec une couche de plomb et crée un couple électron positon. Un plan de détecteurs situé juste en dessous permet de localiser avec précision la position X et Y de l'interaction. Les particules énergétiques se propagent ensuite le long du télescope et interagissent éventuellement à leur tour dans une nouvelle couche de plomb.
Ces nouvelles interactions sont alors de nouveau identifiées par les détecteurs de trace. Ceci permet de reconstituer la trajectoire des particules dans le télescope. Les particules sont finalement absorbées par un dispositif (calorimètre) qui convertit leur énergie en bref flash de lumière lui même transformé en signal électrique. Ces différentes étapes permettent de déterminer l'origine sur le ciel du photon gamma et son énergie (cliquer pour agrandir).
Afin de se protéger du flux intense de particules chargées du rayonnement cosmique, un dispositif appelé anti-coïncidence joue le rôle de bouclier ou blindage actif. Un système électronique permet de trier sélectionner à bord les bons des mauvais évènements en vue de leur transmission à la station de réception au sol.
Les différents composants du télescope LAT
Le principal instrument de la mission GLAST est le télescope LAT (Large Area Telescope). Cet instrument est développé à l'université de Stanford . Il est composé de quatre composants principaux :
Vue éclatée du télescope LAT et schéma d'une tour composant le détecteur de traces. Cliquer pour agrandir (Crédits NASA)
Le détecteur de traces : Le détecteur de traces constitue la pièce maîtresse du télescope et est composé d'une matrice de modules disposés en tours. Chaque tour est constituée d'une série de plans (19) formée alternativement d'une feuille de plomb jouant le rôle de convertisseur et d'une couche de détecteurs en silicium. Les plans de silicium permettent de détecter avec une grande précision et une très bonne efficacité la position de l'électron ou du positon issu du rayon gamma incident. Cette technologie, inaccessible aux télescopes de la génération précédente, permet de déterminer la position d'un objet dans le ciel avec une précision de 0.5 à 5 minutes d'arc.
Le calorimètre : Ce composant du télescope est constitué d'une matrice de barreaux de Iodure de Césium (CsI). Lorsqu'une particule interagit avec ce matériau, elle cause une réaction sous forme d'un bref flash lumineux. Cette lumière est ensuite convertie en signal électrique dont l'intensité est proportionnelle à l'énergie déposée par la particule incidente. L'agencement des barreaux dans deux directions perpendiculaires permet également de livrer des informations quant à la direction du photon gamma incident. Chaque calorimètre (un par tour) est composé de 96 barreaux de CsI. Chaque cristal de CsI possède une dimension de 32cmx2.6cmx2cm et le signal est lu par une photodiode placée à chaque extrémité du barreau.
Le système d'anti-coïncidence : Ce système est un bouclier contre le flux très important de particules chargées du rayonnement cosmique. Ces particules de loin beaucoup plus nombreuses (d'un facteur 1000000 !) que le flux attendu de photons gamma constituent ici pour les scientifiques une véritable pollution. Lorsqu'un rayon cosmique traverse le matériau mince (un scintillateur plastique) composant ce dispositif, il cède une fraction de son énergie sous forme d'un bref signal lumineux qui est immédiatement transformé en signal électrique puis stocké en mémoire. Si la particule interagit ensuite dans le télescope et mime le comportement d'un photon gamma, elle est alors immédiatement repérée et traitée comme un évènement indésirable ou mauvais évènement (car coïncident avec le signal détecté par le bouclier). Les rayons cosmiques n'ayant pas de direction privilégiée dans l'espace, il convient d'entourer l'ensemble le télescope d'une telle protection.
Le système d'acquisition à bord : Ce dispositif électronique analyse et effectue le tri en temps réel entre les bons (les photons gamma) et les mauvais évènements. Une fois validé, l'ensemble des informations issues des différents composants du télescope est transmis au sol pour étude ultérieure.
Organisation du consortium LAT
| U.S.A. | Stanford University, Stanford Linear Accelerator Center, NASA/Goddard Space Flight Center, Naval Research Laboratory University of California/ Santa Cruz , Ohio State University |
| France | CEA/Irfu (SAp + SEDI), IRAP et IN2P3 (LLR, CENBG, GAM) |
| Italie | INFN (Perugia, Pisa, Udine, Bari, Roma) et CNR (Milano) |
| Japon | KEK (Tokyo, Hiroshima) et ISAS |
| Suède | Stockholm Univ. et KTH |
Le moniteur de sursauts gamma (GBM)
Ce télescope dont l'objet est la détection des sursauts gamma est constitué de deux types de détecteurs. Le premier, composé de 12 scintillateurs en cristaux de iodure de sodium (NaI), couvre la gamme d'énergie de 5 keV à 1 MeV. Le deuxième, 2 scintillateurs plastiques en germanate de bismuth (BGO), est sensible aux photons d'énergie comprise entre 10 keV et 25 MeV. Dans chaque cas le photon gamma est converti en signal électrique. Doté d'un champ de vue de 8 stéradians, il délivrera en temps réel une localisation, même imparfaite, du sursaut gamma qui pourra ensuite être rapidement observé par le télescope LAT. Ce télescope est une collaboration entre l'Institut Max-Planck à Munich en Allemagne et plusieurs laboratoires américains.
