Département de Physique des Particules

les avancées de l'astronomie gamma

L’astronomie gamma de très haute énergie est un domaine en pleine expansion depuis 1989 lorsque la première source céleste de photons d’énergies de plus de 1 TeV fut observée par technique d’imagerie Cherenkov atmosphérique. Les générations actuelles de télescope, en particulier HESS dans lequel est fortement impliqué l’Irfu, ont établi l’importance de ces très hautes énergies en astrophysique en  révélant un ciel extrêmement riche, avec plus de 140 sources à ce jour. On y trouve par exemple des objets accélérateurs qui amènent les particules à des énergies bien supérieures à celles du LHC, et des trous noirs de toutes tailles, auxquels les astrophysiciens s’intéressent particulièrement pour leurs propriétés intrinsèques mais aussi pour leurs effets sur la formation et l’évolution des galaxies. Et l’on y recherche activement la signature de l’annihilation de particules de matière noire, ou des effets que l’on pourrait attribuer à la gravité quantique.

Mais les physiciens du monde entier ont bien conscience que la richesse de ce domaine a à peine été dévoilée par les télescopes actuels. On a maintenant besoin d’un instrument bien plus performant pour passer de la phase exploratoire à celle des études en profondeur, que ce soit pour les études statistiques de population, la clef pour l’histoire de l’évolution des objets dans l’univers, celles de la physique détaillée des processsus d’accélération de particules dans ces objets ou que ce soit pour offrir un potentiel de découverte important de nouvelle physique. Aussi depuis plus de cinq ans la communauté dans ce domaine s’est regroupée pour travailler sur un projet commun d’un très grand réseau de télescopes. Ce projet, le Cherenkov Telescope Array (CTA), vient de passer avec succès la première des trois revues sur la route qui mène à la décision ferme de sa construction.

Que va faire CTA?

L’observatoire CTA s’appuiera sur deux sites d’observation, un dans l’hémisphère sud, un dans l’hémisphère nord, comportant chacun plusieurs dizaines de télescopes à imagerie Cherenkov atmosphérique . Il est conçu pour s’attaquer à de nombreux problèmes ouverts en physique et astrophysique des hautes énergies, parmi lesquels :

•  l’origine des rayons cosmiques. Où et comment sont-ils accélérés, dans notre galaxie et dans l’univers ? En particulier, si l’on confirme que les chocs de restes de supernova sont les accélérateurs principaux des rayons cosmiques, une poignée seulement a pu être vue. CTA devrait détecter l’ensemble des restes accélérateurs de notre galaxie, presque une centaine, ainsi que ceux responsables des plus hautes énergies, probablement une dizaine de restes très jeunes.
• l’énergétique et l’influence des trous noirs. Qu’ils soient de masse stellaire ou supermassifs, les trous noirs peuvent être responsable de la formation de jets de matière qui interagissent avec leur environnement et accélèrent des particules en leur sein. Dans les noyaux actifs de galaxie (AGN) ceci a une influence fondamentale dans le processus de formation des galaxies. En détectant plusieurs centaines d’AGN, CTA permettra d’établir une classification de ces AGNs, et de faire des études d’évolution.
• les variabilités rapides dans les sources à haute énergie. CTA est 25000 fois plus sensible que le satellite Fermi en dessous de 100 GeV, pour des observations d’une demi-heure. Il s’agit là d’une « Terra incognita », où l’on va pouvoir explorer des phénomènes vus à plus basse énergie, comme par exemple les éruptions de la nébuleuse du Crabe que l’on pensait jusqu’à très récemment stable, les variabilités rapides liées aux épisodes d’accrétion et d’éjection dans les microquasars et les AGNs, ou les sursauts gamma, ce qui permettra de contraindre les zones et les processus d’accélération en jeu.
• la nature de la matière noire et la recherche de nouvelle physique. Grâce à la sensibilité et la résolution angulaire et énergétique, CTA permettra de rechercher des signatures spectrales et morphologiques de l’annihilation de matière noire. La sensibilité à très haute énergie et aux variabilités rapides permettra de mettre en évidence si elles existent des différences de vitesse de propagation des photons en fonction de leur énergie, comme prédit dans certains modèles de gravité quantique. 

Performances de CTA

Les caractéristiques uniques de CTA en feront aussi un instrument permettant des mesures précieuses en astrophysique, telle que l’intensité du fond infrarouge de l’univers ou la valeur des champs magnétiques intergalactiques.

Pour ce faire CTA est conçu de façon à ce que ses performances surpassent très largement celles des instruments actuels. Sa sensibilité en flux sera plus de 10 fois supérieure à celle de HESS, sa réponse en énergie s’étendra sur 4 décades, recouvrant à basse énergie la gamme des détecteurs spatiaux tels Fermi à quelques dizaines de GeV, et ouvrant un nouveau domaine du côté des très hautes énergies, jusqu’à quelques 300 TeV, une autre Terra incognita. Sa résolution angulaire et son champ de vue améliorés permettront la cartographie de sources étendues, comme les restes de supernovae, et évitera les problèmes de confusion dans les zones denses en sources comme au centre de notre galaxie. Son grand champ de vue permettra de faire en un temps raisonnable un relevé du plan galactique, et d’un quart du ciel extragalactique, avec une sensibilité qui devrait décupler le nombre de sources connues.

Ces performances seront atteintes en déployant une centaine de télescopes, 4 très grands (23 m de diamètre f), 25 moyens (f = 12 m), et 70 petits (f = 4 à 6 m), sur une dizaine de kilomètres carrés dans l’hémisphère sud, et une vingtaine de télescopes, grands et moyens, sur un kilomètre carré dans l’hémisphère nord. Une grande nouveauté dans ce domaine est que CTA est conçu comme un observatoire, ouvert à l’ensemble de la communauté mondiale, comme l’immense majorité des télescopes en astrophysique, qu’ils soient au sol ou dans l’espace.

Le consortium CTA compte plus d’un millier de personnes, appartenant à 27 pays. Dix d’entre eux ont signé en juillet 2012 une déclaration faisant entrer CTA dans une phase de pré-construction. A l’issue de cette phase les tutelles scientifiques et les agences de financement pourront prendre la décision de la construction de CTA.

Le CEA est impliqué au niveau de l’Irfu dans trois éléments opérationnels importants. Les miroirs des télescopes moyens, pour lesquels une technique de fabrication à bas coût de miroirs légers et performants a été mise au point à l’Irfu et transférée dans l’industrie. Les caméras des télescopes moyens, qui seront intégrées à l’Irfu, et au cœur desquelles se trouve la puce Nectar développée au SEDI grâce à un projet ANR dont l'IRFU était porteur, utilisée dans la mise à niveau des caméras de HESS. Et enfin, le développement des logiciels d’analyse scientifique des données. L’Irfu est aussi en charge d’études pour l’implantation de l’observatoire sur les sites candidats.

Trois revues, menées par trois comités indépendants du projet, sont prévues dans cette phase de pré-construction. La première, celle de la définition préliminaire des performances scientifiques et des concepts techniques, a eu lieu les 7 et 8 février devant le comité scientifique et technique nommé par les agences de tutelles. Le projet a pu présenter l’ensemble des spécifications nécessaires pour atteindre les objectifs scientifiques, les solutions techniques envisagées pour la construction, le mode de fonctionnement de cet observatoire, ainsi que les étapes en cours et la méthodologie suivie pour aboutir à la définition finale de CTA.

Le comité de revue a pu confirmer l’importance des enjeux scientifiques, et apprécier l’ampleur et la qualité du travail fourni. Ceci lui a permis de valider cette étape et de donner rendez-vous au projet pour la revue de définition préliminaire, la deuxième dans cette phase de pré-construction. Elle doit avoir lieu à l’automne de cette année.

Contact  : Philippe Ferrando