Ce vendredi 16 mai, les élèves du club d’astronomie AstroCartan, accompagnés de professeurs de physique-chimie et de mathématiques de l’académie présents au lycée Elie Cartan pour une journée de formation, ont assisté à une visite en visioconférence du Large-Sized Telescope (LST) de l’observatoire de Roque de los Muchachos à La Palma, une île des Canaries.

La visite a été proposée et réalisée par David Sanchez, astrophysicien au Laboratoire d’Annecy de Physique des Particules (LAPP). La spécialité de David est l’étude du rayonnement cosmique, grâce à la détection depuis le sol de ce que l’on appelle la lumière Tcherenkov. Ses recherches portent en particulier sur le rayonnement gamma émis par les noyaux actifs de galaxies.

David Sanchez devant le LST-1, et l’assistance attentive à la conférence, depuis le CDI.

Lorsque les rayons gamma atteignent l’atmosphère terrestre, ils y interagissent en produisant des cascades de particules subatomiques, également appelées gerbes atmosphériques ou gerbes de particules. Rien ne peut aller plus vite que la lumière dans le vide, mais celle-ci se déplace environ 0,03 % plus lentement dans l’air. Ainsi, ces particules d’énergie extrêmement élevée peuvent aller plus vite que la lumière dans l’air, créant un éclair bleuté appelé « lumière Tcherenkov » (découverte par le physicien soviétique Pavel Tcherenkov en 1934), semblable au bang supersonique produit par un avion dépassant la vitesse du son. Bien que cette lumière Tcherenkov se répartisse sur une large zone (environ 250 mètres de diamètre), elle ne dure que quelques milliardièmes de seconde. Elle est trop brève et trop faible pour être perçue par l’œil humain, mais pas pour les capteurs de lumière ultra-sensibles des télescopes comme le LST.

Crédit : CTAO

Le LST-1 que David nous a présenté, inauguré le 10 octobre 2018, est le premier télescope du Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO), un futur ensemble de télescopes Tcherenkov regroupés à l’observatoire de La Palma. LST-1 possède une surface réfléchissante parabolique de 23 mètres de diamètre, soutenue par une structure tubulaire composée de fibres de carbone renforcées et de tubes en aluminium. Une surface réfléchissante de 400 m² collecte et focalise la lumière Tcherenkov vers la caméra, où des tubes photomultiplicateurs convertissent cette lumière en signaux électriques pouvant être traités par une électronique dédiée. Bien que le LST-1 mesure 45 mètres de haut et pèse environ 100 tonnes, il est extrêmement agile, capable de se repositionner en moins de 30 secondes pour capturer les signaux gamma de faible énergie et de courte durée. Sa grande surface réfléchissante lui permet de disposer d’une zone de collecte inégalée, conçue pour améliorer la sensibilité aux plus faibles énergies. De plus, sa caméra plus grande et plus sensible, composée de 1855 tubes photomultiplicateurs de pointe, permet au LST de détecter le faible nombre de photons Tcherenkov émis par les rayons gamma de basse énergie.

Crédit: Akira Okumura

L’analyse de l’image ainsi obtenue permet de déterminer la direction d’origine, l’énergie du rayon cosmique, et même la nature de la particule incidente. Grâce à une résolution angulaire typique d’environ 0,1 degré, la caméra est capable de visualiser la forme de la gerbe atmosphérique générée par le rayon cosmique.

Crédit : CTAO

Les LST permettront d’élargir les connaissances scientifiques à des distances cosmologiques et à des sources plus faibles avec des spectres énergétiques doux. La rapidité de repositionnement et le seuil bas d’énergie offerts par les LST sont essentiels pour les études des sources gamma transitoires dans notre propre galaxie, ainsi que pour l’étude des noyaux actifs de galaxies et des sursauts gamma à grand décalage vers le rouge. La sensibilité aux sources astrophysiques de basse énergie permet au LST d’étudier des objets tels que les pulsars, les restes de supernovae et la matière noire.

Crédit: Iván Jiménez (IAC)

L’équipe LST est composée de plus de 300 scientifiques issus de douze pays : Brésil, Bulgarie, Croatie, République tchèque, France, Allemagne, Inde, Italie, Japon, Pologne, Espagne et Suisse. Dans cet effort véritablement international, la direction du design et de la gestion a été partagée entre le LAPP à Annecy (France), l’Institut Max Planck de Physique à Munich (Allemagne), l’INFN (Italie), l’ICRR de l’Université de Tokyo (Japon), l’IFAE à Barcelone et le CIEMAT à Madrid (Espagne).

Merci beaucoup, David, pour cette visite très instructive !

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David est également astrophotographe, et voici une de ses images du LST-1 :

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Vidéo de la construction de LST-1 : https://www.youtube.com/watch?v=hIqmYf63m6Q

Article sur le fonctionnement d’un télescope Tcherenkov : https://arxiv.org/pdf/1307.4565v1

Site du Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) : https://www.ctao.org/ 

La page du CTA sur le site de l’IAC (Instituto de Astrofísica de Canarias) : https://www.lst1.iac.es/index.html

Le site du LAPP : https://lapp.in2p3.fr/index.html

Site de David Sanchez sur ses travaux de recherche : https://lappweb.in2p3.fr/~sanchez/pages/index_TDR.html 

Article du CEA "De la lumière Tcherenkov aux objets célestes" : https://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_sstechnique.php?id_ast=4638 

Crédit de l'image de l'article : Daniel López (IAC)