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Posté par Adrien le Mardi 26/09/2017 à 00:00
Etude des rayons cosmiques depuis l’espace: du ballon EUSO-SPB à mini-EUSO dans l’ISS
Dans la nuit du 24 au 25 avril 2017, la mission EUSO-SPB a pris son envol depuis la base de la Nasa à Wanaka en Nouvelle-Zélande. Après le succès de la mission du CNES EUSO-Ballon, la collaboration internationale JEM-EUSO revient avec un instrument plus performant encore, conçu pour détecter des rayons cosmiques ayant une énergie de l'ordre de 1018eV, soit 100 000 fois plus élevée que les particules accélérées au CERN ! Une réussite à laquelle sont associés les laboratoires de l'APC, du LAL et d’OMEGA qui ont réalisé le module de détection.

Les rayons cosmiques d'ultra-haute énergie représentent l'un des mystères les plus fascinants de l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) extrême. Avec des énergies littéralement macroscopiques, ces noyaux d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est...) qui nous parviennent d'autres galaxies (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la suite de deux autres...), intriguent les chercheurs depuis plus d'un demi-siècle et suscitent d’intenses efforts pour élaborer des moyens d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens...) nouveaux.

Il faut dire qu'il n'a été possible d’en détecter qu'un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) très limité jusqu'à présent. Les plus énergétiques d'entre eux ne se présentent qu'à raison d'un par mètre carré et par milliard (Un milliard (1 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf millions neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent...) d'années ! C'est pourquoi il convient de déployer des détecteurs couvrant des milliers de km2. C'est ce qui a été fait en Argentine, avec l'Observatoire Pierre Auger (Pierre Victor Auger (14 mai 1899 - 25 décembre 1993) était un physicien français né à Paris, fils du professeur de chimie Victor Auger et beau-frère de Francis Perrin. Il...), auquel la France a déjà contribué de manière décisive. Mais pour aller plus loin, les chercheurs se tournent désormais vers l'espace. L'objectif ? Se placer en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres...) de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre planètes...), par exemple sur la Station spatiale internationale (La Station spatiale internationale (en anglais International Space Station ou ISS) est un habitat placé en orbite terrestre basse, occupé en...) (ISS), et observer l'effet de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui...) de ces rayons cosmiques d'ultra-haute énergie avec l'atmosphère terrestre.


Module de détection PDM composé de 2304 pixels (GTU = 2.5?s, soit 400.000 images par seconde) © JEM-EUSO

Le déploiement d'un tel instrument spatial est un projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et...) ambitieux et c’est pourquoi des missions précurseurs, appelées "pathfinders", ont été conçues et développées par la collaboration JEM-EUSO. Il s'agit de modèles réduits de l'instrument visé ultimement, mais qui en possèdent déjà toutes les fonctionnalités et sous-systèmes. Ils mettent ainsi en œuvre une unité de détection, nommée photodetector module (PDM). Ce dispositif est constitué de constitué de 36 photomultiplicateurs de 64 pixels chacun alimentés par des systèmes à très basse consommation de type Cockcroft-Walton. Ceux-ci sont lus par des circuits-imprimés spécifiques (de modèle ASIC SPACIROC 3) développés pour l’expérience à l’IN2P3 (L'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) est un institut de recherche fondamentale du CNRS dont le domaine de recherche est comme son nom l'indique la physique...) par le groupe Organisation (Une organisation est) de micro-électronique générale avancée (OMEGA, CNRS/École polytechnique). L’acquisition (En général l'acquisition est l'action qui consiste à obtenir une information ou à acquérir un bien.) est pilotée par un FPGA et un algorithme de trigger dédié. L’ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa mesure,...) focale a été intégrée, testée et étalonnée par les équipes de l’IN2P3 à l’APC (CNRS/ Université Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du...) Diderot/CEA/Observatoire de Paris).


Résultats du vol EUSO-ballon 2014: émissivité UV au nadir © JEM-EUSO

L’agence spatiale (Une agence spatiale est un organisme d'État ayant pour but d'étudier l'Espace et de développer et gérer des programmes spatiaux) CNES a poursuivi l'aventure en soutenant les équipes françaises impliquées dans EUSO-SPB, qui n’a finalement pu voler que 12 nuits au lieu des 100 espérées, en raison d’un problème au niveau du ballon de la NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace ») plus connue sous son abréviation NASA, est...), lui-même encore en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) de perfectionnement. Le vol a néanmoins permis de collecter des données d’une richesse sans précédent et d’observer, outre les variations de l’émissivité UV de la Terre, de l’océan et de différents types de nuages, des événements d’intérêt scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la...) comme des météorites et des rayons cosmiques directs, ainsi que trois événements d’origine encore inconnue, dont l’analyse est en cours.


Deux évènements d’origine encore inconnue acquis par EUSO-SPB en mai 2017 © JEM-EUSO

Un nouveau vol en ballon pressurisé financé par la NASA est d’ores (ORES, l'Opérateur des Réseaux Gaz & Électricité est le l'opérateur des réseaux de distribution d'électricité et de gaz pour les 8 gestionnaires du secteurs mixte en...) et déjà prévu en 2020, avec des objectifs scientifiques encore étendus pour associer à la détection de dizaines de gerbes cosmiques l’observation de gerbes montantes résultant de l’interaction de neutrinos tau avec la croûte terrestre.

Mais c’est à présent vers l’espace que tous les regards de la collaboration internationale sont tournés, et en particulier vers l’ISS qui accueillera en 2018 la mission mini-EUSO, première version en orbite du détecteur, qui permettra d’observer le ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) à travers le hublot (Un hublot est une fenêtre de petite taille, généralement circulaire, percée dans la coque d'un bateau pour laisser entrer l'air et la lumière. On trouve des hublots dans un véhicule de toute...) de quartz du module russe, transparent aux UV.

Unités IN2P3 et INSU impliquées dans le projet: APC, IRAP, LAL (CNRS/Université Paris-Sud) et OMEGA.

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Source: CNRS-IN2P3