mercredi 4 septembre 2013

Le Volcan Mexicain et son Observatoire de Rayons Cosmiques

Le 1er août dernier, l’observatoire gamma High Altitude Water Cherenkov (HAWC) a débuté officiellement ses opérations. Cet observatoire pas comme les autres a pour objectif d’étudier l’origine des rayons cosmiques ultra énergétiques. Cet observatoire – on ne peut pas le désigner par le nom « télescope » - utilise une technique de détection unique. Il s’agit d’une série de grosses cuves remplies d’eau pure. Il est constitué pour ses débuts de 100 cuves de 5 mètres de haut pour un diamètre de 7,3 mètres (soit 180 000 litres), mais devrait en comporter 300 au maximum sous peu.


le site de l'observatoire HAWC (HAWC observatory)
Il est installé au Mexique, sur les pentes d’un volcan, le Sierra Negra, à une altitude de 4100 m, dans l’état du Puebla. Cet observatoire est exploité par des équipes mixtes mexicaines et américaines avec une dominante mexicaine.


Chaque cuve est équipée de quatre photomultiplicateurs qui enregistrent le moindre photon de lumière apparaissant dans le volume d’eau maintenu dans le plus grande obscurité. Cette lumière dite lumière Cherenkov, trahit l’interaction de particules chargées très rapides (plus rapides que ne l’est la lumière dans l’eau, soit 40% de moins que dans le vide).

Les rayons cosmiques très énergétiques, en frappant la haute atmosphère, produisent des particules secondaires elles aussi très énergétiques et donc très rapides. HAWC les attrape au niveau du sol, qui est déjà situé à plus de 4000 m altitude, pour en perdre le moins possible lors de leur descente dans les profondeurs de l’atmosphère.
Gerbe de particules produite par un rayon cosmique énergétique

HAWC peut ainsi être sensible à des particules dont l’énergie se situe entre 100 GeV et 100 TeV. En 2009, HAWC a été identifié comme le projet scientifique mexicain ayant le plus fort impact dans le domaine de l’astrophysique des hautes énergies. Dès 2012, les 30 premières cuves furent installées et permirent de calibrer le système en observant l’ombre de la Lune (qui bloque naturellement les rayons cosmiques qui viennent d’au-delà).

Simulation d'un muon produisant de la lumière Cherenkov 
Les rayons cosmiques et gamma de très haute énergie que HAWC va traquer, grâce à son champ de vision énorme de 15° qui lui permet de voir la moitié du ciel boréal en 24 heures , viennent principalement des phénomènes les plus violents de l’Univers : collisions d’étoiles à neutrons, explosions de supernovae, trous noirs supermassifs, …

Grâce à la combinaison subtile des signaux Cherenkov des différents sous-éléments de l’ensemble, les astroparticulistes parviennent à déterminer à la fois le temps d’arrivée, l’énergie incidente et la direction d’origine du rayon gamma ou du rayon cosmique initial ayant produit la gerbe de particules secondaires.

Jusqu’à présent, les systèmes détectant les gerbes par la lumière Cherenkov étaient constitués de grands miroirs regardant la lumière Cherenkov produite directement dans l’air, comme par exemple le télescope HESS installé en Namibie dont nous avons déjà parlé.

Le gros avantage d’utiliser de l’eau en altitude est de pouvoir obtenir une bien meilleure précision sur la direction d’origine du rayon cosmique, ce qui se révèle fondamental pour tenter de comprendre ce qu’on détecte…





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