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Mise à jour le 12 Décembre 2017

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CONFÉRENCE
«CATACLYSMES ET EXPLOSIONS COSMIQUES :

L'ASTRONOMIE GAMMA DE LA PROCHAINE DÉCENNIE»

Par Hélène SOL astrophysicienne de l’Observatoire de Paris Meudon

Organisée par l'IAP   98 bis Bd Arago, Paris 14ème

Le Mardi 5 Décembre 2017 à 19H30

 

Photos : JPM pour l'ambiance (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)

Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur.  Voir les crédits des autres photos

Vidéos des conférences proposées par l’IAP sur Canal U

 

BREF COMPTE RENDU

 

 

 

 

 

Hélène SOL est astrophysicienne à Meudon, elle a passé son doctorat sur les AGN (galaxies à noyaux actifs) dont le titre était « Jets et sources radio extragalactiques ».

Post doc effectué à Munich à l’ESO.

 

Elle ‘intéresse à l’astrophysique des très hautes énergies.

 

Voici comment elle résume sa présentation :

 

« Les astronomes réussissent depuis peu à capter les photons gamma très énergétiques en provenance du ciel. Ces messagers cosmiques nous informent sur les sources de l'extrême qui les ont émis, pulsars, supernovae, trous noirs, blazars... et aussi sur les milieux qu'ils traversent. Après les premières découvertes sur ces astres flamboyants de notre Univers, la communauté scientifique nationale et internationale prépare le projet CTA de nouvelle génération en astronomie gamma au sol, poussant encore plus loin l'exploration des frontières de notre cosmos et de nos connaissances. »

 

 

 

 

Astronomie gamma de très haute énergie et ses détecteurs.

 

Les premières observations gamma ont été effectuées par P Villard en 1900.

 

En fait l’astronomie gamma de faible énergie doit être observée depuis l’espace, mais celle de très haute énergie peut être observée depuis le sol.

 

D’ailleurs depuis 2004, on a découvert ainsi plus de 200 sources à partir du sol.

 

Les gamma correspondent à un univers non thermique mais cataclysmique.

 

On a notamment mis au jour la SN 1006 avec ses émissions gamma.

 

Et aussi la radio galaxie M87.

 

 

 

 

 

 

 

 

Vue du télescope HESS en Namibie avec en fond de ciel notre voie lactée en visible et gamma.

 

 

 

Crédit photos : HESS.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Depuis le sol, on ne peut donc détecter que les sources gamma les plus énergétiques.

 

En effet ces gamma très énergétiques interagissent avec l’atmosphère et donnent des particules détectables.

Comme le dit très justement H Sol : l’atmosphère est la première partie du détecteur.

 

Celles-ci produisent une lumière due à l’effet Tcherenkov que l’on détecte.

 

C’est une belle complémentarité avec l’astronomie gamma dans l’espace.

 

Tableau du nombre de découvertes de sources gamma en fonction du temps et des types de détecteurs.

 

 

 

 

 

L’astronomie gamma haute énergie permet d’explorer l’univers non thermique, cataclysmique, des grands écoulements de matière, des chocs et des turbulences.

Comme : étoiles binaires, pulsars, blazars, SN, radio galaxies, sursauts gamma, TN et collisions d’astres compacts, galaxies à noyaux actifs etc..

 

 

Exemple de radio galaxie comme Centaurus A. c’est une AGN située à 13 Mal.

 

 

 

Elle émet des gamma de très hautes énergies (>100GeV) comme l’observatoire HESS le confirme

 

 

 

 

 

 

 

 

 

On a pu détecter aussi les ondes gravitationnelles provenant de la fusion de deux étoiles à neutrons : GW 170817.

 

On a pu suivre avec certains observatoires la détection des ces ondes.

En échelle verticale : flux en énergie, exprimé en "erg par cm carré par seconde" [erg/(cm^2 s)].

En horizontal : le temps en secondes depuis la détection.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Il y a deux mécanismes de Fermi qui donnent naissance aux émissions très hautes énergies gamma, la description en est donnée dans cette présentation :

 

 

Vers la découverte des sources et des mécanismes de production des rayons cosmiques Damien Dornic (CPPM) HST.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La région de notre centre galactique a aussi fait l’objet d’étude gamma.

 

Extrait du communiqué de HESS :

 

La collaboration internationale H.E.S.S. (qui réunit notamment des laboratoires du CNRS - IN2P3 et INSU - et du CEA - Dapnia) a annoncé la découverte d'une émission gamma de très haute énergie en provenance d'un ensemble de nuages de gaz proches du centre de la Voie Lactée.

 

Ces nuages d'hydrogène gazeux sont des nuages géants, atteignant une masse 50 millions de fois supérieure à celle du soleil.

C'est la très grande sensibilité des télescopes H.E.S.S. qui a permis de découvrir pour la première fois que ces nuages émettent un rayonnement gamma de très haute énergie, dont on a pu mesurer le flux et la distribution en énergie

 

 

 

 

 

 

 

Si l’atmosphère est la première partie du détecteur, comme déjà dit plus haut, la deuxième est le télescope et sa caméra.

 

 

On voit ici une gerbe de particules atteignant le détecteur HESS et l’image de cette gerbe en haut à gauche sur la caméra gamma.

 

Ce sont les photos Tcherenkov que l’on détecte.

 

 

 

 

 

 

 

Afin d’améliorer la détection gamma, un nouveau projet a été développé : le projet CTA : CherenKov Telescope Array.

Tiré du site :

 

La génération actuelle des télescopes Cherenkov comme HESS, MAGIC et VERITAS a ouvert depuis 2004 le nouveau domaine de l’astronomie gamma au sol dans le domaine d’énergie au-dessus de quelques dizaines de GeV. Environ 150 sources émettrices dans le domaine du TeV sont maintenant confirmées illustrant la richesse du cosmos vu aux très hautes énergies.

Le projet CTA, "Cherenkov Telescope Array", permettra d’explorer réellement notre univers en rayons gamma de très hautes énergies en élargissant les échantillons et en approfondissant l’étude des sources et des processus non-thermiques en jeu. Cette exploration sera d’autant plus fructueuse qu’elle se fera en coopération étroite avec les autres grands projets de la discipline

Les principales expériences actuelles en astronomie gamma au sol :

HESS en Namibie

MAGIC aux Iles Canaries

VERITAS aux Etats-Unis

Quoique les résultats de cette nouvelle astronomie gamma soient impressionnants, ils ne donnent qu’un aperçu de notre cosmos aux très hautes énergies, avec un échantillon encore limité. Une compréhension détaillée de la physique des accélérateurs cosmiques de particules, et leurs applications à la connaissance de notre univers et de son histoire, nécessite de meilleurs taux de détection. une plus grande couverture spectrale, et une amélioration des performances en résolution spatiale, spectrale et temporelle.

Ce sont les objectifs du projet CTA de la liste ESFRI, dont la phase préparatoire conduite avec le soutien de l’Europe va se terminer en 2014. L’observatoire CTA consistera en un réseau de télescopes Cherenkov de différentes tailles, observant les brefs et faibles éclats de lumière Cherenkov émis par les gerbes de particules secondaires provoquées par l’entrée de photons gamma de très haute énergie dans la haute atmosphère. CTA augmentera la sensibilité des détecteurs actuels d’un ordre de grandeur, améliorera les capacités en résolution angulaire et étendra le domaine spectral d’environ 20 GeV jusqu’au-delà de 100 TeV (Fig.2). Deux sites sont prévus pour garantir l’accès à l’ensemble du ciel. Le site de l’hémisphère austral aura seul accès à la multitude de sources dans les régions centrales de notre Galaxie et à toute la richesse de leur morphologie. Le site de l’hémisphère nord, se consacrera davantage à l’étude des NAG (Noyaux Actifs de Galaxies), de l’espace extragalactique et des aspects cosmologiques.

 

CTA devrait conduire à de nouvelles percées dans plusieurs domaines de l’astronomie tels que l’environnement des objets compacts, la physique des trous noirs, des pulsars, des supernovae, les vents stellaires, les rayons cosmiques et le milieu interstellaire, les systèmes binaires et les amas stellaires, l’évolution des galaxies ... Il offre une des rares possibilités d’obtenir une détection indirecte de la matière noire, avec des signatures spectrales selon sa nature, voire sur des objets exotiques reliques du Big Bang.

 

La figure ci-contre est l’exemple de courbes de sensibilité attendues selon domaine d’énergie pour une configuration de réseau CTA avec des télescopes de grande taille (LST, 23 m), de taille intermédiaire (MST, 12 m) et de petite taille (SST, 4 m). D’après Bernlohr et al, Astroparticle Physics, volume 43, CTA special issue, 2013.

 

 

 

 

On espère améliore la sensibilité comme on le voit sur cette diapo.

 

 

Petit cercle jaune : ce que l’on peut détecter actuellement de notre Galaxie.

 

Grand cercle jaunne : ce que l’on espère avec le CTA.

 

 

 

Le CTA est un consortium de 32 pays et de 210 instituts.

 

 

Sites : Chili (au Paranal près du VLT) et aux Canaries (La Palma).

 

La France est très impliquée : CNRS, CEA, Observatoire de Paris.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

En 2015 : installation à Meudon pour tester un des télescopes. Le « Gamma-ray Cherenkov Telescope » (GCT), un prototype de télescope proposé pour le futur grand réseau CTA, a capté sa première lumière Cherenkov et a observé ses premières gerbes atmosphériques.

 

Construction : de 2021 à 2024.

 

 

POUR ALLER PLUS LOIN :

 

 

HESS : découverte d'un accélérateur cosmique au centre de la Voie Lactée par Futura Sciences

 

L'expérience H.E.S.S. découvre un accélérateur cosmique en pleine action au centre de la Voie Lactée par le MPI

 

Astronomie gamma avec HESS présentation pdf d’Olivier Martineau. Très bien à voir absolument

 

Stéréoscopie de gerbes de gamma avec les télescopes H.E.S.S.: thèse de Marianne Lemoine-Goumard

 

H.E.S.S. High Energy Stereoscopic System, site au MPI

 

HESS au CEA

 

SST-GATE, un projet international réussi

 

Rayonnement cosmique : H.E.S.S. dévoile le premier PeVatron hadronique jamais observé par le CEA

 

La radiogalaxie Centaurus A est aussi une source gamma par Futura Sciences

 

L’astronomie gamma au sol présentation slideplayer de JP Tavernet

 

 

 

 

Bon ciel à tous !

 

 

Jean Pierre Martin .Commission de Cosmologie de la SAF.

www.planetastronomy.com

 

Les autres CR des conférences IAP.

 

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