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n° 108 avril-mai 2012
Dossier | Astrophysique

Sur la trace bleue des Rayons cosmiques

Des photons de très haute énergie frappent l’atmosphère et génèrent une couleur bleue, le rayonnement Cherenkov, que détecteront les télescopes du projet CTA

Les rayons cosmiques ont été découverts il y a un siècle. Issue pour une partie du Soleil et pour le reste du fin fond de l’espace, une pluie intense de particules chargées tombe sans interruption sur la Terre. Pour l’avoir détectée le premier en 1912 dans des voyages en ballon à haute altitude, le physicien autrichien Victor Hess a reçu en 1936 le Prix Nobel de physique*.

Bien que cent ans se soient écoulés depuis leur découverte, une partie de ces rayons cosmiques cachent toujours son origine sous un épais voile de mystère. Il s’agit surtout des particules qui percutent les molécules de l’atmosphère avec la plus grande énergie. Une énergie telle que les astrophysiciens se perdent en conjectures pour imaginer quel phénomène cosmique pourrait bien être capable d’accélérer ces électrons et ces protons à des vitesses aussi phénoménales. Le futur réseau de télescopes CTA (Cherenkov Telescope Array), un projet auquel participent des chercheurs de l’Observatoire de Genève, devrait pouvoir soulever un coin du voile. Son entrée en fonction est prévue pour 2018.

«Ces particules ultrarapides possèdent une énergie qui se compte parfois en centaines d’exa-électronvolts, explique Roland Walter, Maître d’enseignement et de recherche au Département d’astronomie et membre du projet CTA. Autrement dit, elles possèdent une énergie des dizaines de millions de fois plus importante que les protons circulant dans le collisionneur LHC du CERN, le plus puissant jamais construit sur Terre.» Bref, une seule de ces particules véhicule autant d’énergie qu’une balle de tennis bien servie.

De plus, ces grains élémentaires de matière sont électriquement chargés et leur trajet dans l’univers croise de multiples champs magnétiques générés par les étoiles, les galaxies, etc. Ces champs dévient leur course à tel point qu’en arrivant sur Terre, les rayons cosmiques ont perdu presque toute signature permettant de retracer leur lieu d’origine.

C’est pourquoi CTA est conçu pour s’intéresser essentiellement aux rayons gamma, qui sont des photons, ou des grains de lumière. «Les événements qui sont à l’origine de l’accélération des particules émettent forcément des rayons gamma qui sont eux aussi très énergétiques, précise Roland Walter. L’avantage, c’est qu’au contraire des électrons et des protons, les photons ne sont pas déviés de leur course et arrivent sur Terre en ligne droite. On peut donc localiser leur source dans le ciel.»

Cependant, l’énergie de ces rayons gamma «durs de durs» surpasse de plusieurs milliers de fois celle que les meilleurs télescopes spatiaux actuels peuvent mesurer. En plus, les événements sont extrêmement rares, de l’ordre d’un par minute et par kilomètre carré pour les sources les plus intenses. Impossible à détecter avec un détecteur d’un mètre carré, à l’exemple du satellite FERMI, lancé en 2008 par la NASA.

Pour y remédier, CTA utilise l’atmosphère comme détecteur primaire, soit une surface effective d’environ 100 km2. Quand un photon de très haute énergie interagit avec une molécule d’air, il déclenche une véritable cascade de réactions qui se termine par une gerbe d’électrons et de positrons (antiélectrons). Ces derniers sont tellement rapides qu’ils se déplacent plus vite que la lumière dans l’air (la vitesse de la lumière diminue lorsqu’elle traverse un milieu autre que le vide et peut ainsi être dépassée). Cela génère une lumière bleue caractéristique, appelée rayonnement Cherenkov. C’est ce flash, extrêmement bref, qui sera détecté par les télescopes de CTA. Pour y parvenir, ils seront capables de prendre des milliards d’images par seconde.

Des simulations permettent de reconstruire, à partir d’un flash de rayonnement Cherenkov, la direction et l’énergie du photon d’origine, souligne Roland Walter.

La technologie qui sera utilisée par CTA est actuellement à l’essai dans le cadre du projet FACT. Installé à La Palma aux Canaries, le télescope est en fonction depuis octobre 2011.

CTA, pour lequel il existera deux sites, l’un dans l’hémisphère Sud, l’autre dans le Nord, comptera en tout une centaine de télescopes.

En plus des supernovas, qui sont des explosions d’étoiles, les futures cibles de CTA sont des sources qui sont susceptibles de générer des champs électriques jusqu’à la centaine de milliards de milliards de volts. Parmi les candidats se trouvent les sursauts gamma (explosions phénoménales qui ont lieu dans d’autres galaxies que la nôtre), les magnétars (des étoiles à neutrons possédant un champ magnétique puissant), les quasars (noyaux actifs de galaxie), etc. CTA tentera aussi de détecter des phénomènes encore plus exotiques comme l’annihilation de matière noire, le champ magnétique cosmologique ou encore la structure quantique de l’espace-temps. Joli programme.

* Albert Gockel, professeur à l’Université de Fribourg, a découvert en 1909, grâce à des ballons sondes de l’ancêtre de Météosuisse, que la radioactivité produite par la Terre ne diminuait pas avec l’altitude comme prévu. Il en a déduit qu’il existait une source dans l’espace et a ouvert ainsi la voie à la découverte de Victor Hess.