18/09/2016

L'astrophysique des particules suisse s'envole en Chine


Le 15 septembre dernier s'est envolé le laboratoire spatial chinois Tiangong 2,  un des modules qui formera la future station spatiale chinoise. Parmi les 14 expériences diverses qu'il emporte se trouve un détecteur de rayons gamma, POLAR, qui va étudier durant 2 ans les bouffées de rayons gamma énergétiques, les GRB, qui sont issus des phénomènes les plus violents de l'Univers.



L'expérience POLAR est une première, non seulement par son étude inédite de la polarisation des photons gamma de haute énergie, mais aussi parce qu'il s'agit d'une expérience majoritairement européenne (suisse et polonaise), la première expérience non-chinoise acceptée par le programme spatial militaire chinois.
Les sursauts gamma (ou GRB) sont de brusques émissions de rayons gamma très énergétiques, qui apparaissent en moyenne environ 1 fois par jour, répartis un peu partout dans le ciel. On pense aujourd'hui qu'ils seraient liés à des explosions d'étoiles hypermassives.
POLAR va travailler durant au minimum deux ans pour analyser les 50 GRB les plus intenses détectés chaque année. Le principe de l'analyse repose sur un effet bien connu des étudiants en physique qui abordent les interactions entre les particules et la matière : l'effet Compton. L'effet Compton est le processus de diffusion des photons sur les électrons : un photon interagit élastiquement avec un électron en lui transférant une partie de son énergie. Se faisant, il change de direction (qui dépend de l'énergie qu'il a transférée à l'électron). L'électron qui a acquis de l'énergie recule avec un angle qui dépend des autres paramètres cinématiques. L'effet Compton que l'on apprend à l'Université est le plus souvent le cas général où le photon n'a pas de polarisation particulière, la section efficace différentielle de diffusion n'y dépend pas de la polarisation. Mais quand le photon possède une polarisation (c'est à dire que les champs électrique et magnétique de l'onde électromagnétique qui lui est associée sont orientés dans une certaine direction et non aléatoirement), l'effet Compton "complet" dit que la direction de diffusion du photon n'est plus répartie sur 4pi stéradians mais a lieu dans une direction privilégiée, qui dépend du vecteur de polarisation.
POLAR est ce qu'on appelle un polarimètre Compton. Il va chercher à mesurer la polarisation des photons gamma des GRB, sans chercher à localiser la source du GRB. Son détecteur est relativement "simple" : il s'agit d'un multidétecteur : une première couche détecte l'arrivée d'un photon, qui y diffuse par effet Compton, et la deuxième, juste derrière, détecte à nouveau le photon qui vient de diffuser. Connaissant les deux points d'impact, on peut ainsi mesurer pour chaque photon gamma à la fois son angle de diffusion, ce qui donne l'énergie qu'il a laissée dans l'interaction et la direction de cette diffusion. Le détecteur de POLAR est relativement modeste, il forme un carré de 400 cm2 constitué d'un réseau de 1600 barres de scintillateur plastique.

Pour l'événement du lancement du laboratoire Tiangong 2, trois scientifiques de la collaboration POLAR ont eu la chance d'être acceptés sur la base militaire de Jiuquan (Mongolie Intérieure) pour voir décoller la fusée Longue Marche 2F. Mais Nicolas Produit, Merlin Kole (Université de Genève) et Dominique Rybka (Narodowe Centrum Badań Jadrowych) ont vite été rattrapés par les méthodes chinoises. Déjà lors de l'installation de POLAR sur la station scientifique, les chercheurs européens n'avaient pu le faire qu'à distance, sans pouvoir s'approcher eux-mêmes de la zone de montage, les chinois leur envoyant simplement des photos du montage qu'ils effectuaient. Mais alors que tout semblait en ordre pour assister au décollage à une distance de 1,5 km du pas de tir, les trois chercheurs se sont vu interdire l'accès à la base au dernier moment... 
La raison invoquée par les autorités chinoises, selon Nicolas Produit, est que les trois chercheurs européens s'étaient promenés la veille dans un quartier de la ville voisine, alors qu'ils n'étaient pas censés être là, à cause de la visite d'un ministre sur place... Ils ont ainsi été contraints d'assister au lancement de leur détecteur, fruit de plus de 10 ans de travail, depuis le toit de leur hôtel à 7 km du pas de tir.

Le lancement s'est parfaitement déroulé et POLAR est désormais en orbite dans le laboratoire Tiangong 2. Il sera activé seulement dans quelques jours, après que toutes les manœuvres du module scientifique, très consommatrices d'énergie, auront été effectuées. Les données qui seront obtenues par POLAR seront ensuite récupérées par l'armée chinoise, qui les copiera avant de les envoyer à Genève. Le protocole est très strict et c'était à prendre ou à laisser pour les chercheurs. Ils ont préféré prendre, car il était pour eux beaucoup plus simple d'utiliser les capacités de mise en orbite chinoises que celles des européens, des américains ou des japonais. L'avenir dira si le choix était judicieux.

Tiangong-2 devrait avoir la visite de ces premiers taïkonautes dès le mois d'octobre prochain, avec un test grandeur nature d'arrimage avec le module habité Shenzu-11, avant de faire de même quelques semaines plus tard avec un module de ravitaillement.


Sources : 

. Communiqué de presse de l'Université de Genève

. Article de "24heures" relatant la mésaventure des astrophysiciens suisses et polonais : La Chine met en orbite l’Université de Genève


Illustrations :

1) Lancement de Tiangong-2 (www.news.cn)

2) Vue générale du détecteur POLAR (Collaboration POLAR)

3) Vue d'artiste du module Tiangong-2 arrimé au vaisseau habité Shenzu-11 (China Aerospace Science and Technology Corporation)