Astronomie gamma: le prototype Cocote a pris son envol
Publié par Adrien le 25/08/2016 à 00:00
Source: CNRS-IN2P3
Trois laboratoires de l'IN2P3 collaborent au projet de recherche et développement Compact Compton Telescope (Cocote) visant à préparer une nouvelle mission spatiale d'astronomie gamma. Le 2 juillet 2016, un prototype de télescope a été lancé dans la haute atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) depuis la base du Centre national d'études spatiales (Cnes) d'Aire-sur-l'Adour (40). Les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) enregistrées pendant le vol ballon permettront de tester les détecteurs dans des conditions environnementales représentatives de celles rencontrées en orbite terrestre (Une orbite terrestre est une orbite située autour de la Terre. La Lune, le seul satellite naturel de la Terre, est située sur une orbite terrestre. Les satellites artificiels sont placés en orbite terrestre et les sondes...).

Divers phénomènes énergétiques de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) (explosions d'étoiles, annihilation d'antiparticules, accrétion (L'accrétion désigne en astrophysique, en géologie et en météorologie l'accroissement par apport de matière.) de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière...) par des trous noirs...) sont observés depuis 2002 par le satellite (Satellite peut faire référence à :) Integral de l'Agence spatiale européenne (L’Agence spatiale européenne (ASE) (en anglais European Space Agency : ESA) est une agence spatiale intergouvernementale fondée le...) (ESA) grâce à la combinaison (Une combinaison peut être :) de deux instruments sensibles aux rayons gamma. Mais pour aller plus loin et découvrir de nouvelles sources de rayonnements gamma dans le cosmos, le prochain observatoire spatial devra être en mesure de détecter des flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus...) de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules...) gamma bien plus faibles que ceux à la portée des instruments actuellement en opération. Le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration...) Cocote vise à construire le démonstrateur d'un futur télescope spatial (Un télescope spatial est un télescope placé au delà de l'atmosphère. Le télescope spatial présente l'avantage par rapport à son homologue terrestre de ne pas être perturbé par...) à partir de nouvelles technologies de détecteurs et d'une électronique de lecture intégrée.

Début 2016, le Cnes a proposé à la collaboration Cocote une opportunité de vol de détecteurs dans la stratosphère (La stratosphère est la seconde couche de l'atmosphère terrestre, se situant au-dessus de la troposphère et sous la mésosphère. Les températures atteintes dans l'atmosphère...) dans le cadre d'une procédure de qualification de vol ballon. Ainsi, le 2 juillet, le dispositif expérimental a été envoyé à 29 km d'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et biogéographique qui explique...) pour un vol qui a durée 11 heures (L'heure est une unité de mesure  :).

Des détecteurs de rayons gamma dans une cocotte-minute

Pour cette expérience, la charge utile (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice...) comprenait un assemblage de détecteurs au silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) et un calorimètre constitué d'un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce...) scintillant de bromure de cérium (CeBr3) couplé à un photomultiplicateur (Le photomultiplicateur est un dispositif permettant la détection de photons. Il se présente sous la forme d'un tube électronique.) à tube multi-anodes 64 voies. Les instruments ont été conçus et mis en place par le laboratoire Astroparticule et cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.) (APC, CNRS/CEA/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 bassin parisien, entre les confluents de la Marne et de...) Diderot/ Observatoire de Paris), l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le...) de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...) sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu, CEA) et le Centre de sciences nucléaires et de sciences de la matière (CSNSM, CNRS/Université Paris Sud).

Pour se prémunir des effets de la faible pression atmosphérique (La pression atmosphérique est la pression de l'air en un point quelconque d'une atmosphère.) à haute altitude, l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) de détection a été placé dans une... cocotte de cuisine (La cuisine est l'ensemble des techniques de préparation des aliments en vue de leur consommation par les êtres humains (voir cuisinerie). La cuisine est diverse à travers le monde,...) ! Le dispositif a été préalablement qualifié par une série de mesures dans une enceinte climatique de l'Institut de physique nucléaire (La physique nucléaire est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On peut distinguer :) d'Orsay (IPNO, CNRS/Université Paris Sud).


A gauche: Le prototype de télescope Cocote. Au centre: Le système de détection (Un système de détection est un système permettant à l'utilisateur d'observer un événement automatiquement par le biais d'un appareil électronique ou mécanique. On peut...) avec le cristal scintillant (calorimètre) et le système de détection complet avec les détecteurs au silicium. A droite: Le ballon principal gonflé à l'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il ouvre la série des gaz nobles dans le tableau périodique des...) au moment du lancement.

Le graphique ci-dessous montre le taux de comptage du détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été...) au CeBr3 pendant le vol. On voit qu'il a rapidement diminué après le lancement à 4 h 52, alors que la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un...) utile s'éloignait de la radioactivité (La radioactivité, phénomène qui fut découvert en 1896 par Henri Becquerel sur l'uranium et très vite confirmé par Marie Curie pour le thorium, est un phénomène physique...) naturelle 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...), puis a augmenté pour atteindre un maximum environ 50 minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon,...) plus tard, quand la nacelle était à une altitude d'environ 15 km. Cette altitude correspond au maximum de flux des particules secondaires générées par les rayons cosmiques dans la haute atmosphère. Au plafond (Par extension, un plafond représente le maximum de quelque chose :) du vol, à une altitude d'environ 29 km, le bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une...) atmosphérique dans le détecteur est moindre. Les données accumulées pendant ce vol seront maintenant scrutées dans les moindres détails pour comprendre au mieux le fonctionnement des détecteurs et identifier les sources d'émission gamma.


Taux de comptage du détecteur au CeBr3 (courbe en vert) et altitude de la nacelle Cocote (en rouge) pendant le vol.

Laboratoires français impliqués dans le projet:
- Laboratoire Astroparticule et cosmologie (APC, CNRS/CEA/Université Paris Diderot/ Observatoire de Paris)
- Centre de sciences nucléaires et de sciences de la matière (CSNSM, CNRS/Université Paris Sud)
- Institut de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la...) nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) d'Orsay (IPNO, CNRS/Université Paris Sud)
- Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu, CEA)
- Institut de recherche en astrophysique et planétologie (La planétologie est la science de l'étude des planètes. La discipline recouvre de nombreuses branches de la science ; son domaine d'étude s'étend des grains...) (Irap, CNRS/Université Toulouse Paul Sabatier)
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