Observatoire Pierre Auger - Définition

Introduction

Observatoire Pierre Auger à Malargüe

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.

Buts scientifiques

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 ^{− α}, où  : 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 eV. À ces énergies, l'ordre de grandeur du flux est d'une particule par km² par siècle. Le but de l'observatoire Pierre Auger est d'étudier ces rayons cosmiques de ultra haute énergie, environ entre 10¹⁸ eV et 10²⁰ 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 10¹⁵ eV, on pense qu'il s'agit de restes de supernovae, mais à 10²⁰ 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 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.