CTA (Cherenkov Telescope Array)

Une nouvelle génération d'observatoire pour explorer l'Univers à très haute énergie.

A new generation observatory to explore the very high energy Universe.

Explorer les cataclysmes de l'Univers

L’observatoire CTA (Cherenkov Telescope Array) est une nouvelle génération d’instrument au sol permettant d'explorer le ciel en rayons gamma à très haute énergie. CTA couvrira un large domaine en énergie, de 20 GeV à plus de 100 TeV, un domaine complémentaire à celui couvert par le satellite Fermi (100 MeV- 30 GeV). Il permettra d’obtenir des images du ciel avec une sensibilité et une résolution angulaire dix fois supérieures aux observatoires actuellement en opération (HESS, Magic, Veritas). Le consortium CTA rassemble 1200 scientifiques de 30 pays dans le monde, répartis dans 190 laboratoires, avec une forte composante européenne et en particulier française.

L'objectif de CTA est d’étudier les phénomènes cataclysmiques de l’Univers. Ils sont suspectés être à l’origine du rayonnement cosmique, cette pluie incessantes de particules détectées dans l’atmosphère il y a plus de cent ans et dont l’origine reste mal connue. Ces phénomènes abritent souvent des astres compacts, trous noirs ou étoiles à neutrons, qui donnent l’opportunité d’étudier la matière soumise à des conditions extrêmes. Les rayons gamma peuvent également trahir la présence de particules de matière noire qui s’annihileraient dans les régions denses de l’Univers, comme le centre de la Galaxie. Ils permettent de sonder par absorption le fond diffus de rayonnement optique et infrarouge de l’Univers.

Vue d’artiste d’un des deux réseaux de télescopes de CTA, ici dans l’hémisphère sud : le réseau comporte des télescopes de différentes tailles destinés à couvrir des domaines d’énergie complémentaires entre 20 GeV et 100 TeV – (c) G Perez, IAC.

Les télescopes à imagerie Tcherenkov

A gauche : Un prototype de télescope CTA – (c) Consortium CTA.

A droite : Le principe de l’astronomie Tcherenkov au sol. Un rayon gamma interagit dans l’atmosphère à environ 15 km d’altitude. Il crée une gerbe de particules dont la vitesse de propagation dépasse la vitesse de la lumière dans l’air, ce qui a pour conséquence l’émission d’une lumière ténue, la lumière Tcherenkov, sous la forme d’une enveloppe conique. La lumière Tcherenkov se propage vers le sol et illumine le miroir d’un télescope qui renvoie les photons vers une caméra composée d’une mosaïque de photomultiplicateurs.

Observer tout le ciel

CTA est en cours de déploiement sur deux sites afin de couvrir la totalité du ciel. Dans l’hémisphère sud le site retenu se situe à proximité de l'Observatoire du Cerro Paranal dans le désert d'Atacama au nord du Chili, où est installé le VLT. A l'horizon 2020, il comportera une centaine de télescopes et permettra d’observer les régions intérieures du plan galactique. Dans l’hémisphère nord, c’est l'observatoire de Roque de los Muchachos sur l'île de La Palma (Iles Canaries) qui accueillera une vingtaine de télescopes dont l’objectif principal sera de sonder l’Univers extragalactique.

Ci contre, image du haut : Vue du site sud de CTA, Paranal, Chili – (c)ESO, image du bas : Vue du site nord de CTA, La Palma, Espagne (c) Miguel Claro.

L'équipe du DAp

Le groupe du DAp compte une douzaine de personnes du LEPCHE et du LISIS, exploitant déjà ou ayant exploité les données d’autres télescopes comme H.E.S.S., les satellites Fermi, Integral, XMM-Newton, le télescope à neutrinos Antares. Les thématiques scientifiques couvertes dans le groupe vont de l’astrophysique galactique (restes de supernova, binaires X et pulsars, flux diffus…) aux sursauts gamma, en collaboration avec le groupe SVOM du DAp.

Le groupe est engagé dans les travaux préparatoires à l’analyse des données, en particulier au travers du développement d’outils novateurs pour la reconstruction des gerbes atmosphériques et l’analyse des images du ciel, ainsi qu’à leur adaptation à l’analyse en temps réel pour la détection de sursauts gamma ou d’autres sources. Le groupe développe son programme scientifique en participant à la définition des futures observations du consortium.

Le développement des logiciels de la chaîne de traitement des données, le Data Pipeline, qui consiste à produire une liste de photons gamma à partir des informations brutes dans les caméras, est coordonné au sein du groupe. Le groupe a également coordonné les études comparatives de l’infrastructure des 13 sites candidats, à partir d’un cahier des charges génériques et de visites techniques sous-traitées à une société de travaux public (Ingérop).

_{Contact : Thierry Stolarczyk}

Simulation d’une vue du plan galactique, et zoom sur la région à ±10° de longitude autour du centre, telle que CTA permettra de l’obtenir après des observations systématiques durant plusieurs années de fonctionnement. Cette simulation peut-être comparée, tout en bas de l’encadré, à la vue actuelle obtenue par le télescope HESS (La vue CTA est obtenue d’une simulation extrapolant les populations connues de restes de supernova et de nébuleuses à vent de pulsar). Dans CTA plusieurs centaines de sources à haute énergie sont attendues, contre quelques dizaines répertoriées aujourd’hui – © Collaboration HESS, Consortium CTA, Th. Stolarczyk pour le montage.

L’équipe du DPhP

L’équipe CTA au DPhP est composée de physiciens participant également aux expériences d’astroparticule H.E.S.S. (photons de très haute énergie) et ANTARES (neutrinos de très haute énergie). Le groupe a des activités liées au hardware (caméras, miroirs pour les télescopes du nouvel observatoire), mais également à la préparation de l’exploitation de la physique (Centre Galactique, matière noire, axions, tests de l’invariance de Lorentz, contreparties optiques aux événement ondes gravitationnelles et plus généralement physique multi-longueur d’onde, etc.) avec leurs collègues du DAp.

La physique de CTA est décrite en détail sur la page: https://www.cta-observatory.org/science/ et dans la publication https: //arxiv.org/abs/1709.07997

Le groupe du DPhP est composé en 2018 de 7 physiciens, 1 post-doctorant et 3 thésards.

Quelques publications récentes de membres du groupe (2016-2018) sur la construction et la prospective de physique avec CTA et

– la matière noire :

http://cdsads.u-strasbg.fr/abs/2016JCAP…09..043L

http://cdsads.u-strasbg.fr/abs/2016PhRvD..94j3005B

– l’évaluation de la sensibilité de CTA :

http://cdsads.u-strasbg.fr/abs/2016SPIE.9906E..3OF

– les événements transitoires et la physique multi-longueur d’ondes :

http://cdsads.u-strasbg.fr/abs/2017ICRC…35.1106S

– la caméra NectarCAM :

http://cdsads.u-strasbg.fr/abs/2017AIPC.1792h0009G

Banc de test des miroirs de CTA à l'Irfu

Le groupe (qui comprend le responsable scientifique de la caméra NectarCAM) est impliqué dans la vérification des performances de la caméra NectarCAM et la préparation de la prise de données sur le site de CTA. Il travaille en interaction étroite avec les départements techniques de l’IRFU qui sont chargés du management de la caméra (avec notamment le chef de projet de NectarCAM) et de l’intégration. Il travaille également en étroite collaboration avec des groupes du CNRS, de DESY-Zeuthen , du CIEMAT et de l’UCM GAE (Madrid), de ICC-UB et de l’IFAE (Barcelone).

Le groupe est responsable de la fourniture de miroirs légers pour les télescopes MST (Medium Size Telescope) de CTA. Il travaille en étroite collaboration avec les départements techniques de l’Irfu.

_Contact :_{Jean-François Glicenstein}