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Paris, 28 novembre 2005

Un télescope géant en quête de rayons cosmiques

Le plus grand observatoire de rayons cosmiques du monde, l'Observatoire Pierre Auger, dont le CNRS (IN2P3 et INSU) (1) est l'un des fondateurs, vient d'être inauguré en Argentine treize ans après sa naissance sur le papier. Grand comme trente fois Paris, il est composé d'un réseau de télescopes à fluorescence et de détecteurs à eau implantés au pied des Andes, à 1500 mètres d'altitude, et vient de produire des résultats prometteurs. Sa mission consiste à tenter de résoudre ce qui reste l'une des grandes questions de l'astrophysique depuis un demi-siècle : d'où vient le rayonnement cosmique d'énergies extrêmes ? Avec à la clé, peut-être, la remise en question des lois fondamentales de l'Univers.

L'Observatoire Pierre Auger vient d'être inauguré dans la Pampa argentine

Bien qu'observés pour la première fois par le physicien Hess en 1910, les rayons cosmiques n'ont cessé depuis de rester une énigme : formés de particules stables de tous types à basses énergies, et de composition inconnue aux hautes énergies, on n'en sait rien ou presque. Ils ont été mesurés à l'aide de compteurs Geiger, notamment par le français Pierre Auger dans les années 1930, avant d'être étudiés à partir de 1960 aux énergies élevées. Mais aucune preuve de leur provenance. Sont-ils le produit de phénomènes astrophysiques violents, comme l'explosion de supernovae ? Viennent-ils du noyau des galaxies ? S'agit-il d'un reliquat du big-bang ?

 

Seule certitude, ils peuvent être extrêmement énergétiques : jusqu'à - et même au-delà de -1020 eV (100 milliards de milliards d'électron-volts), soit plusieurs dizaines de joules. Une grandeur exceptionnelle, cent millions de fois supérieure à celles atteintes par les accélérateurs de particules les plus performants. Mais aussi un mystère, car aucun mécanisme astrophysique connu ne semble capable d'accélérer des particules à de tels niveaux.

 

Les rayons cosmiques sont également très rares dans le domaine des plus hautes énergies : un par km2 et par siècle. Au cours des dernières décennies, seule une vingtaine a pu être observée par une demi-douzaine de détecteurs. Toujours est-il qu'ils n'atteignent la Terre qu'après un périple de plusieurs dizaines de millions d'années-lumière. Leur meilleure connaissance pourrait donc permettre de comprendre des phénomènes violents et lointains, et même de remonter aux origines de l'Univers.

 

24 télescopes et 1600 détecteurs au sol

 

De cet enjeu et des difficultés d'observation est née l'idée de créer l'observatoire Auger. Lorsqu'un rayon cosmique pénètre dans l'atmosphère terrestre, il déclenche une réaction en chaîne appelée "gerbe atmosphérique" donnant naissance à des milliards de particules dites "secondaires" qui ionisent l'atmosphère et produisent des photons de fluorescence. L'analyse de ces particules peut se faire lors de leur traversée de l'atmosphère à l'aide de télescopes à fluorescence, ou au sol lorsque qu'elles atteignent la surface de la terre. On en déduit les propriétés du rayon cosmique primaire : sa nature, son énergie et sa direction de provenance.

 

Lancé en 1992 par une petite équipe qui s'est transformée au long des années en une vaste collaboration internationale (plus de 370 scientifiques et ingénieurs de 60 laboratoires de 16 pays[1]), l'Observatoire Auger, outre sa taille exceptionnelle, est la seule expérience exploitant simultanément les deux méthodes de détection. En cours d'achèvement mais déjà le plus grand du monde, il combine en effet des télescopes et des détecteurs à eau, rassemblant ainsi des techniques de mesure jusqu'ici utilisées séparément entre autres par des équipes japonaises et américaines. Le dispositif comprendra en tout 1600 détecteurs contenant chacun 12 tonnes d'eau (le réseau de surface), répartis sur une superficie de 3000 kilomètres carrés dans la province argentine de Mendoza, au pied des Andes, soit l'équivalent de 30 fois la superficie de Paris intra-muros. Sa périphérie est plantée de télescopes à fluorescence (il y en aura 24 au final). Le tout est relié par un gigantesque réseau informatique « maison », sorte de Wi-Fi à grande échelle.

 

Ce dispositif hybride apporte des informations complémentaires et plus précises aux chercheurs. En outre, sa grande étendue (les événements à détecter étant rares et leur nombre croissant proportionnellement à la surface de détection) permet d'en observer plusieurs dizaines par an alors que l'ensemble des détecteurs précédents n'ont pu en accumuler que quelques dizaines en plus de 40 ans.

 

Les premiers résultats

 

D'ores et déjà les premiers résultats scientifiques tombent. D'une part, contrairement à ce que pouvaient affirmer les études japonaises (de l'observatoire Agasa), les rayons cosmiques extrêmes ne viendraient pas de manière privilégiée du centre de notre galaxie… Ils ne seraient probablement pas non plus un « reste » du big-bang ! L'observation faite de plus de quelques pour cent de photons dans ce domaine d'énergie serait en effet la signature d'un certain nombre de théories prédisant une origine exotique (non vérifiée) pour ce rayonnement cosmique. D'autre part, alors que scientifiques japonais et américains se contredisent à propos du spectre énergétique, aucun des résultats obtenus à Mendoza n'interdit en l'état actuel des choses d'imaginer l'existence de rayons au-delà de la limite des 1020 eV.

 

Si le rayonnement cosmique ne trouve pas sa source au sein d'objets tels qu'étoiles et galaxies, si des « événements » peuvent se produire très au-delà de cette limite des 1020 eV, ce n'est pas dans l'astrophysique qu'il faut en chercher l'origine, mais dans la cosmologie ou dans de nouvelles formes d'interactions fondamentales.

 

La « collaboration Auger » se propose d'édifier un observatoire similaire dans l'hémisphère nord, au Colorado (États-Unis), peut-être dès 2007. Ainsi, avec un observatoire dans chaque hémisphère, elle pourra disposer d'une couverture totale du ciel et donc d'une vision complète de l'Univers.

 

Sites web : http://www.auger.org/ et http://auger.cnrs.fr

 

Images :http://www.auger.org/observatory/2004.html http://vmsstreamer1.fnal.gov/VMS_Site_03/VMS/Auger/index.htm


 

Notes :

1) Argentine, Australie, Bolivie, Brésil, République tchèque, France, Allemagne, Italie, Mexique, Pays-Bas, Pologne, Slovénie, Espagne, Royaume-Uni, États-Unis, Vietnam.

Contacts :

Contacts chercheurs :
IN2P3 : Murat Boratav,
boratav@in2p3.fr, 01 44 27 45 80
INSU : Martin Lemoine
lemoine@iap.fr, 01 44 32 80 50

Contact presse :
Martine Hasler
martine.hasler@cnrs-dir.fr, 01 44 96 46 35

Contact IN2P3 :
Dominique Armand
darmand@admin.in2p3.fr, 01 44 96 47 51


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