L’observatoire Pierre Auger s’efforce d’identifier les particules les plus énergétiques de l’Univers

Après avoir évoqué les neutrinos la semaine dernière je parlerai aujourd’hui des RCUHE, autres messagers spatiaux que l’on pourrait qualifier d’exotiques, et de leur observatoire dédié, l’Observatoire Pierre Auger (« PAO » en Anglais).

Un RCUHE, Rayon Cosmique d’Ultra Haute Energie (ou en Anglais, UHECR pour « Ultra High Energy Cosmic Ray ») est une particule accélérée jusqu’à une énergie de 1018eV (soit 1 Exa-électronvolts ou «1 EeV ») ou davantage, alors que l’énergie de la plupart des radiations galactiques, « GCR » (pour Galactic Cosmic Rays), se situe entre 10 MeV (1 MeV = 106eV) et 10 GeV (1 GeV =109eV) et que dans le grand accélérateur de hadrons du CERN on n’a jamais atteint « que » 1013eV. Comme pour les neutrinos, les ondes gravitationnelles, les rayons X durs, les rayons gamma, les scientifiques contemporains, chercheurs et ingénieurs, ont su imaginer un dispositif original et étonnant pour les observer c’est-à-dire les capter et les analyser. C’est encore un sujet d’admiration et d’émerveillement qui devrait satisfaire les esprits curieux. C’est surtout un moyen complémentaire de mieux connaître et comprendre notre univers dans le cadre de ce qu’on appelle l’« astronomie multimessager » qui prend de plus en plus d’importance grâce aux progrès technologiques.

Les RCUHE sont parfois des protons et dans ce cas leur énergie butte sur une limite qui se situe vers 1019eV. Cette limite, dite « coupure GZK », a été théorisée en 1966 par Kenneth Greizen, Gueorgui Zatsepin et Vadim Kuzmin. Au-delà, les protons interagissent avec les photons du Fond Diffus Cosmologique « FDC », ce qui accroît leur longueur d’onde et produit des pions (mésons pi), réduisant par la même l’énergie atteinte. Les noyaux des éléments plus lourds sont également sensibles à cette coupure; ils peuvent subir une photodésintégration. Suivant les sections efficaces d’interaction, la probabilité de survie peut-être moins grande pour certains d’entre eux. En tout état de cause, compte tenu du contenu du « vide » spatial en photons primordiaux, les RCUHE (protons ou noyaux d’autres éléments) ne devraient pas pouvoir parvenir d’une distance plus lointaine que celle de l’horizon GZK, soit environ 300 millions d’années-lumière (100 Mégaparsecs), ce qui limite beaucoup les possibilités d’en recevoir. Parmi les particules qui “passent” le filtre de la coupure GZK certaines ont des énergies énormes, jusqu’à plus de 1020eV. Elles appartiennent à une sous-catégorie des RCUHE, les EECR (Extreme Energy Cosmic Rays) qui sont encore plus rares. L’énergie de ces RCUHE est telle qu’elle ne peut résulter que d’événements catastrophiques extrêmement puissants ou de cœurs de galaxies extrêmement actifs (« AGN » – Active Galactic Nucleus) et, en même temps, qu’elles ne peuvent provenir que de sources relativement proches (même si extragalactiques).

Comme dit ci-dessus, ces particules ultra énergétiques sont rares et elles le sont non seulement en raison de leur interférence possible avec les photons mais aussi parce que les événements qui les génèrent sont exceptionnels, au point que leur occurrence statistique avait été évaluée avant leur recherche spécifique à seulement 1 par km2 et par siècle. La conséquence est que pour les observer il a fallu imaginer des capteurs d’une très grande surface. C’est bien ce qu’on a réalisé avec l’Observatoire Pierre Auger qui « couvre » une surface de 3000 km2. Il a été imaginé en 1992 par Jim Cronin (Université de Chicago, Prix Nobel de Physique en 1964) et Alan Watson (Université de Leeds). Le projet démarre véritablement en 1995 à Paris et la construction en Argentine en 2000. Il s’étend sur un plateau situé à 1400 mètres d’altitude, près de la petite ville de Malargüe, à 400 km au Sud de la ville de Mendoza (il faut de la place et un ciel clair !). Il a été inauguré en 2008 après que les premières observations aient été effectuées (elles ont commencé en 2004 avec une installation évidement réduite à quelques capteurs). Il aura coûté 50 millions de dollars (ce qui est peu de chose comparé au coût d’autres observatoires) à une « collaboration » internationale comprenant les plus grandes institutions scientifiques d’un grand nombre de pays : l’Argentine, l’Australie, le Brésil, la Colombie, la Tchéquie, la France, l’Allemagne, l’Italie, le Mexique, les Pays-Bas, la Pologne, le Portugal, la Roumanie, la Slovénie, l’Espagne et les Etats-Unis (mais pas la Suisse !). En 2015 un nouvel accord a été signé pour dix ans incluant toute une série d’améliorations (« upgrading ») qui constituent le projet « AugerPrime ».

L’observatoire est un détecteur dit « hybride » car il utilise deux modes de détections différents : (1) des détecteurs à fluorescence pour mesurer la lumière émise par les molécules de l’atmosphère excitées par le passage des particules et (2) des détecteurs Tchérenkov qui réagissent à ces mêmes particules atteignant le sol. A noter qu’à ces deux stades ce ne sont pas les RCUHE proprement dites que l’on perçoit mais les électrons, les photons et les muons qui en résultent après leur collision avec les molécules de l’atmosphère ou ceux-là avec l’eau (cf image de titre). Les détecteurs Tcherenkov sont 1660 cuves fermées de 12000 litres d’eau, très pure, dans une obscurité complète, situés à 1,5 km l’une de l’autre. Trois photomultiplicateurs très sensibles placés dans chaque cuve sont prêts à capter l’effet Tcherenkov (causé par le passage dans l’eau de particules se déplaçant plus vite que la lumière dans l’eau) et à le retransmettre sous forme de signaux électriques à un collecteur central (le système d’acquisition va être amélioré dans le cadre du projet AugerPrime). Lorsqu’un RCUHE rentre dans l’atmosphère, il crée une averse de particules secondaires qui « arrosent » un ou plusieurs des détecteurs (jusqu’à cinq ou six). On peut évaluer l’énergie de la particule primaire par la quantité de lumière générée par l’averse, et sa provenance par la différence de temps entre les impacts au niveau des différents détecteurs touchés (différence qui se mesure en nanosecondes). Les détecteurs de fluorescence sont 24 télescopes optiques de 3,6 mètres de diamètres fonctionnant en œil-de-mouche (multi-facettes), regroupés sur 4 sites à la périphérie de l’ensemble des cuves de détecteurs Tchérenkov, de façon à couvrir la totalité de l’atmosphère au dessus de la surface de l’observatoire sur une profondeur de détection de 15 km, sur une bande allant de 0° à 30° d’inclinaison (ils fonctionnent les nuits sans lune).

A ces détecteurs hybrides s’ajoutent plusieurs autres équipements: (1) 3 télescopes à fluorescence allant de 30° à 60° d’inclinaison (pour pouvoir observer le développement complet des averses de particules et notamment celles de plus basses énergies qui se produisent plus haut dans l’atmosphère); (2) AERA (Auger Engineering Radio Array) un système pour mesurer les flashs (quelques dizaines de nanosecondes) d’ondes courtes (bande de 30 à 80 MHz) émis par les averses de particules ; (3) « AMIGA » (Auger Muons and Infill for the Ground Array), deux réseaux enterrés de détecteurs de la composante muonique des gerbes (les muons produits par ces RCUHE peuvent pénétrer dans le sol plus ou moins profondément). Ces réseaux sont en cours de réalisation.

Ce dispositif sera complété dans le cadre d’AugerPrime par une évolution du détecteur de surface avec notamment l’installation de scintillateurs sur chaque détecteur Tcherenkov, pour obtenir une mesure complémentaire des particules contenues dans la gerbe. Pour traiter à la fois les signaux des détecteurs Tcherenkov et ceux des détecteurs à scintillation une nouvelle électronique d’acquisition et de contrôle aux performances accrues est développée (comme indiqué ci-dessus).

En septembre 2017, la Collaboration-internationale-Auger a publié les conclusions des 114.000 événements captés et analysés. Sur ce nombre, plus de 3000 par an ont concerné des événements de plus de 8 Exa-électronvolts (8 x 1018eV), l’origine étant des noyaux atomiques de divers éléments ayant été accélérés à des vitesses très proches de celle de la lumière malgré leur masse. On a constaté que les directions d’arrivée d’un certain pourcentage de RCUHE (E au dessus de 39 EeV) coïncidait avec la position de galaxies à sursauts de formation d’étoiles (« starburst-galaxies ») mais on a dû reconnaître que la plus grande partie de ces RCUHE, quelques 90%, n’a pu être rapprochée d’aucune source. Le problème étant que les noyaux d’atomes lourds sont électriquement très chargés et donc susceptibles  d’être déviés par de multiples objets dotés d’un champ magnétique (et le sont probablement effectivement). On espère que le projet AugerPrime en cours et son rapprochement d’autres observatoires permettra d’ici 2025, de faire des progrès dans cette recherche d’identification.

Il faut noter que les GCR dont font partie les RCUHE dont font partie les EECR, sont aussi une préoccupation pour les voyages spatiaux. On estime que les GCR sont constitués à 98% de noyaux d’atomes et à 2% d’électrons (négligeables sur le plan du danger sanitaire). Les 98% sont eux-mêmes constitués de 88% de protons (dont on peut se protéger assez bien avec des réserves d’eau) et 10% de noyaux d’hélium (un peu plus dangereux). Reste 2% de noyaux lourds HZE (éléments au-dessus de l’hélium) contre lesquels on ne peut pratiquement rien faire sauf ne pas en supporter une dose trop importante (deux ou trois voyages aller et retour sur Mars dans une vie adulte). C’est dans cette dernière fraction que se situe les RCUHE et les EECR. Il faut simplement espérer ne pas en recevoir (ils sont très rares!) ou plutôt ne pas trop recevoir de particules secondaires résultant de leur collision avec les atomes des métaux constituant la coque du vaisseau spatial.

Avec l’Observatoire Pierre Auger on est typiquement dans un processus de progression avec ajustement continu des moyens d’observation et intégration dans un dispositif multimessager. Les autres observatoires terrestres procèdent ainsi autant que possible. La démarche est évidemment beaucoup plus difficile dans l’espace où on a presque toujours obligation de remplacer par un autre, un observatoire d’une technologie dépassée ou mal conçu pour son objet, ou simplement à cours d’ergols ou de liquide de refroidissement. Pour l’Observatoire Pierre Auger les ajustements continueront-ils jusqu’à ce que l’observatoire réponde vraiment au rêve de Jim Cronin ?  C’est important pour connaître notre environnement et mieux évaluer la violence de l’Univers qui nous entoure et qui est aussi la source des éléments chimiques dont nous sommes faits. C’est important aussi pour mieux connaître le milieu dans lequel vont se dérouler les vols interplanétaires habités et, pour commencer, ceux qui doivent nous conduire sur Mars.

NB: Ce texte a été revu et corrigé par Madame Corinne Bérat, responsable du groupe Auger du LPSC (Laboratoire de Physique Subatomique & Cosmologie), Représentante pour la France dans la collaboration Auger. 

Illustration : un RCUHE frappant les molécules de l’atmosphère au dessus de l’Observatoire Pierre Auger. Crédit université de Nova Gorica.

image ci-dessous (1): diagramme des émissions spatiales en fonction de leurs énergies (document IceCube). Vous remarquerez que les RCUHE se trouvent tout à fait à droite de l’échelle énergétique.

image ci-dessous (2): capteur de rayonnements Tcherenkov. Il y en a 1660 sur le site de l’Observatoire Pierre Auger (crédit Observatoire Pierre Auger):

image ci-dessous (3): capteurs à fluorescence (crédit Observatoire Pierre Auger):

image ci-dessous (4): schéma de l’arrivée et de la capture d’un RCUHE.  Auteur: Kubu — Travail personnel, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=41117117

https://www.auger.org/

https://www.auger.org/index.php/observatory/augerprime

https://en.wikipedia.org/wiki/Pierre_Auger_Observatory

https://en.wikipedia.org/wiki/Ultra-high-energy_cosmic_ray

et toujours l’index de mon blog:  Index L’appel de Mars

Pierre Brisson

Pierre Brisson

Pierre Brisson, président de la Mars Society Switzerland, membre du comité directeur de l'Association Planète Mars (France), économiste de formation (Uni.of Virginia), ancien banquier d'entreprises de profession, planétologue depuis toujours.

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