Observatoire Pierre Auger

L'observatoire Pierre Auger est un observatoire astronomique installé sur deux sites :

1. en Argentine, dans la ville de Malargüe (province de Mendoza), située à 370 km au sud de la ville de Mendoza ;
2. aux États-Unis, dans l'État du Colorado.

Il porte le nom du physicien Pierre Auger, qui découvrit les « grandes gerbes » de particules cosmiques à l'observatoire de Jungfraujoch dans les Alpes suisses. Cet observatoire est le fruit de la collaboration de 17 pays.

Le site sud, dont la construction a débuté en 1999, a été inauguré le 14 novembre 2008. Les observations ont commencé dès 2004, bien avant que tous les détecteurs soient achevés, et des résultats scientifiques ont été publiés en novembre 2007. La construction du site nord n'a pas encore commencé. L'observatoire devrait fonctionner pendant 20 ans.

Les rayons cosmiques sont des particules chargées (protons ou noyaux plus lourds), qui bombardent en permanence l'atmosphère terrestre. Le flux de ces particules suit une loi de puissance en fonction de l'énergie, φ(E)˜E , où $\alpha \simeq 2.7$ : les rayons cosmiques les plus nombreux ont donc des énergies « raisonnables », de l'ordre du GeV, mais il existe aussi un faible flux de particules jusqu'à au moins $\simeq 10^{20}$ eV. À ces énergies, l'ordre de grandeur du flux est d'une particule par km par siècle. Le but de l'observatoire Pierre Auger est d'étudier ces rayons cosmiques de ultra haute énergie, environ entre 10 eV et 10 eV, dont la compréhension échappe encore largement à la science actuelle :

• On ne connaît pas les sources de ces particules. Il doit s'agir, a priori, d'objets astrophysiques particulièrement violents. Jusqu'à des énergies de 10 eV, on pense qu'il s'agit de restes de supernovae, mais à 10 eV, il s'agit certainement d'objets situés hors de notre propre galaxie. Des modèles très « exotiques » (matière noire super-lourde, défauts topologiques générés lors de la formation de l'Univers...) ont aussi été avancés.

• Les mécanismes de propagation de ces particules entre leurs sources et la Terre restent incertains. En particulier, aux énergies supérieures à environ $5\times 10^{19}$ eV, elles doivent perdre rapidement leur énergie par interaction avec le CMB (c'est l'effet GZK, prédit de longue date et dont la confirmation/infirmation expérimentale est un but majeur de l'observatoire Auger). Par ailleurs, les rayons cosmiques sont probablement déviés par des champs magnétiques, ce qui empêcherait de « voir » directement les sources depuis la Terre.

• Lorsque les rayons cosmiques interagissent avec l'atmosphère en arrivant depuis l'espace, ils développent des grandes « cascades » de particules secondaires : ce sont d'ailleurs ces cascades qui sont détectées, in fine, par l'observatoire. Le développement de ces cascades à de telles énergies est encore mal compris, car les énergies mises en jeu sont bien plus élevées que celles auxquelles on accède expérimentalement dans les accélérateurs de particules actuels.

L'observatoire Pierre Auger est donc l'archétype d'une expérience « d'astroparticules » : on espère obtenir à la fois des informations en astrophysique, sur les sources des particules les plus énergétiques qui soient observables, et leur propagation dans l'univers ; et en physique des particules, sur les modèles d'interactions entre noyaux à des énergies auxquelles on n'a pas accès sur Terre.

Le but de cet observatoire est de détecter des rayons cosmiques à hautes énergies. Le flux des rayons cosmiques étant très faible, il faut une très grande surface de détection pour pouvoir espérer en détecter suffisamment. La spécificité de cet observatoire est de coupler deux types de modes de détection. Premièrement, des télescopes de fluorescence détectent la lumière ultraviolette émise par les molécules de l'air qui sont elles-mêmes brièvement excitées par le passage de la cascade de particules. Ensuite, les diverses particules qui atteignent le sol sont détectées par des cuves d'eau dites « tank » détectant jour et nuit par Effet Tcherenkov électrons, photons et muons de la cascade. Ce type de détecteur est unique dans le monde par sa dualité fluorescence-Tcherenkov.

Détecteurs de surface

Les détecteurs de surface sont des détecteurs Tcherenkov couvrant une surface totale de 3 000 km à distance de 1,5 km les uns des autres. Ils sont en tout 1 600. Ces détecteurs se composent de trois photomultiplicateurs encastrés dans un ballon gonflable rempli d'eau, le « liner ». Ils sont complètement autonomes. Ils sont alimentés par deux panneaux solaires de 50 W et deux batteries de 12V. Ils sont équipés aussi d'un GPS et d'une radio, laquelle envoie les données (détection des rayons cosmiques ou surveillance du fonctionnement de l'électronique).

Télescopes de fluorescence

Plusieurs télescopes observent dans l'UV, à environ 300 nm, l'interaction d'une particule cosmique avec l'azote de l'atmosphère.

À partir de 81 rayons cosmiques d'ultra-haute énergie détectés depuis 2004 en Argentine, les scientifiques ont trouvé l'origine de ces rayons à proximité des noyaux de galaxies actives (AGN), où se situent d'importants trous noirs. Cependant, en aucun cas il n'a été affirmé par la collaboration Auger que l'origine de ces rayons cosmiques d'énergie extrême venait de ces AGN. En effet, cette étude basée sur les catalogues d'AGN avait pour unique but de prouver l'anisotropie des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie.