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Les rayons cosmiques les plus énergétiques proviennent d’au-delà de notre galaxie

Voir le communiqué de presse du CNRS

 

Communiqué de la collaboration Pierre Auger :

Dans un article publié dans Science la Collaboration Pierre Auger présente les résultats de ses recherches montrant que les rayons cosmiques d’une énergie un million de fois supérieure à celle des protons accélérés dans le Grand Collisionneur de Hadron (LHC, au CERN) proviennent de bien au-delà de notre Galaxie.


Depuis que des rayons cosmiques avec des énergies de plusieurs Joules ont été observés dans les années 1960, la question de savoir si de telles particules sont produites au sein de la Voie lactée ou dans des objets extragalactiques éloignés fait débat. Ce mystère vieux de 50 ans a été résolu en étudiant des particules cosmiques d'énergie moyenne de 2 Joules détectées avec le plus grand observatoire de rayons cosmiques jamais construit, l'Observatoire Pierre Auger en Argentine. À ces énergies, on mesure un flux de rayons cosmiques en provenance d’un côté du ciel environ 6% plus élevé que du côté opposé, le maximum de flux pointant dans une direction située à 120 ° du centre Galactique.

Gerbe

Vue d’artiste d’une gerbe atmosphérique
au-dessus d’un détecteur de particules
de l’Observatoire Pierre Auger,
sur fond de ciel étoilé.

© A. Chantelauze, S. Staffi, L. Bret

 


« Nous sommes maintenant à même de comprendre davantage l’origine de ces particules extraordinaires, une question majeure pour les astrophysiciens. Notre observation fournit des preuves convaincantes que les sites d'accélération sont en dehors de la Voie lactée. » estime le professeur Karl-Heinz Kampert (de l’Université de Wuppertal en Allemagne), porte-parole de la Collaboration Auger, qui rassemble plus de 400 scientifiques de 18 pays. Le professeur Alan Watson (Université de Leeds en Angleterre), porte-parole émérite, considère que « ce résultat est l'un des plus passionnants que nous ayons obtenu. Nous résolvons ici un problème posé lorsque l'Observatoire a été conçu par Jim Cronin et moi-même il y a plus de 25 ans ».

Les rayons cosmiques sont les noyaux d’atomes allant de l'hydrogène (le proton) jusqu’au fer. Au-delà de 2 Joules, leur flux sur la haute atmosphère est d'environ 1 par kilomètre carré et par an, soit un rayon cosmique croisant une surface grande comme un terrain de football une fois par siècle. Malgré leur rareté, de telles particules sont néanmoins observables car elles produisent, en interagissant avec les noyaux de l’atmosphère, des cascades de particules dont certaines (électrons, photons et muons) peuvent être détectées. Ces cascades contiennent plus de 10 milliards de particules qui se propagent dans l’atmosphère telle une galette de plusieurs kilomètres de diamètre se mouvant à une vitesse proche de celle de la lumière. On les détecte grâce à la lumière Tcherenkov produite lorsque que les particules traversent quelques uns des 1600 détecteurs (12 tonnes d'eau chacun) de l’Observatoire Auger. Ce dernier couvre une surface de 3000 km² dans la pampa Argentine, soit un peu plus que la taille de l'état du Luxembourg. Les temps d’arrivée des particules dans les différents détecteurs touchés, mesurés grâce à des GPS, sont utilisés pour déterminer avec une précision meilleure que 1° la direction d’arrivée du rayon cosmique qui a produit la cascade de particules observée.

Olivier Deligny, chercheur à l'Institut de Physique Nucléaire d'Orsay et membre des auteurs correspondants de l'article, précise : « nous avons réussi à collecter et à analyser plus de 30000 rayons cosmiques dans cette étude, ce qui nous a permis de découvrir qu'il existe une direction privilégiée dans laquelle les rayons cosmiques bombardent notre atmosphère de manière plus intense. C'est ce qu'on appelle une anisotropie et elle est d’ores et déjà significative à 5,2 écarts types ! ». Un tel degré de significativité est équivalent à une chance de faux positif d'environ deux sur dix millions et la région la plus brillante en rayons cosmiques se trouve dans une direction où le nombre de galaxies est relativement élevé. Bien que cette découverte indique clairement une origine extragalactique pour ces particules cosmiques, les sources sous-jacentes restent encore à localiser. L'excès ne pointe pas vers des sources particulières mais s'étend sur une vaste portion de ciel car même des particules aussi énergétiques que celles-ci sont déviées de quelques dizaines de degrés par le champ magnétique de notre Galaxie. La direction de l’anisotropie ne peut cependant pas être associée à des sources potentielles dans le plan Galactique ou au centre de la Galaxie, quelle que soit la configuration envisagée pour le champ magnétique Galactique.

carte ciel RC  

Carte du ciel montrant le flux de rayons cosmiques.

La région présentant un excès de rayons cosmiques est entourée.

Le centre galactique est au centre de l’ellipse

© Collaboration Pierre Auger


Il existe des rayons cosmiques encore bien plus énergétiques que ceux auxquels cette étude s'attache. Comme on s’attend à ce qu’ils soient moins déviés, leurs directions d'arrivée devraient pointer plus près de leurs lieux de production. Ces rayons cosmiques sont encore plus rares et d’autres études sont en cours pour essayer de discerner les objets extragalactiques qui les accélèrent. Un programme d’amélioration de l’Observatoire est également en cours, avec pour objectif de mieux comprendre la nature des rayons cosmiques et ainsi d'identifier plus clairement leurs sources.

Bibliographie

Observation of a large-scale anisotropy in the arrival directions of cosmic rays above 8 × 1018 eV,

The Pierre Auger Collaboration. Science, 22 septembre 2017. DOI : 10.1126/science.aan4338


La première salle de contrôle à distance depuis la France des télescopes de fluorescence de l’Observatoire Pierre Auger situé en Argentine est entrée en service au LPSC (mars 2016).

L’Observatoire Pierre Auger, qui déploie son réseau de détecteurs sur 3000 km2 dans la pampa argentine, est un projet phare dans l’étude des rayons cosmiques. Plus de 400 scientifiques de 16 pays différents collaborent pour déterminer l’origine et la nature ses particules les plus énergétiques de l’Univers et comprendre comment elles atteignent des énergies aussi extrêmes. La rareté de ces rayons cosmiques extrêmement énergétiques impose qu’on les étudie en caractérisant les grandes gerbes de particules qu’ils génèrent dans l’atmosphère. L’Observatoire utilise conjointement les deux techniques de détection des gerbes atmosphériques qui ont déjà fait leurs preuves, alliant un détecteur de surface constitué de 1660 cuves à effet Cherenkov échantillonnant les particules de la gerbe arrivant au sol, et d’un détecteur de fluorescence comprenant 27 télescopes mesurant le développement longitudinal de la gerbe.

Le fonctionnement du détecteur de surface est contrôlé continument, mais ne nécessite pas une surveillance de chaque instant. Le détecteur de fluorescence est en opération les nuits sans lune et claires. Son fonctionnement doit être surveillé constamment, et nécessite donc la présence de « shifters » à l’Observatoire, chaque mois, pendant environ une vingtaine de nuits d’affilée. Depuis 2014 s’est mis en place dans la Collaboration Pierre Auger un système de « Remote shifts » : à partir de salles de contrôle reproduisant celle existant à l’Observatoire, il est possible de contrôler et piloter à distance les détecteurs de fluorescence, et les Lidars qui mesurent la transparence de l’atmosphère au dessus de l’Observatoire. Il en existe au Mexique, en Allemagne, en Italie. En France, c’est au LPSC qu’elle vient d’être installée. L’avantage majeur de la mise en œuvre de « shifts » à distance est de supprimer les coûts liés aux missions (voyage et séjour) impactant chaque institut devant s’acquitter de son quota de shifts. De plus, le décalage horaire permet de limiter la part de travail nocturne des « shifteurs » sur le site de l’Observatoire, les collaborateurs IN2P3 prenant la relève vers 2h du matin heure argentine, soit dès potron-minet en France !

IMG 2205

 


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Blog "Jouney to Auger"


AugerPrime - Symposium

Augerprime Symposium

La Collaboration Pierre Auger organise en novembre 2015 un Symposium pour célébrer les quinze ans de l’Observatoire Pierre Auger, la signature de l’accord international pour son fonctionnement jusqu’en 2025, et la mise en œuvre du projet AugerPrime.

Ce symposium aura lieu à Malargue, en Argentine ,du 14 au 17 novembre 2015

 

34eme conférence internationale sur les rayons cosmiques

été 2015

Avec 28 contributions, dont 3 en collaboration avec Telescope Array et 1 avec Telescope Array et Ice Cube, La collaboration Auger présente ses derniers résultats concernant les rayons cosmiques d'ultra haute énergie

  • le spectre en énergie et la composition en masse (y compris la rechreche de photons et neutrinos)
  • les propriétés des grandes gerbes atmosphériques et les modèles hadroniques
  • les directions d'arrivée
  • et également : la section efficace p-air, la recherche de monopoles magnétiques, le physique du soleil...

 

Spectre Auger ICRC2015 proceedings

Auger Prime

printemps 2015

La collaboration Pierre Auger met en oeuvre un programme d'amélioration de l'Observatoire. Après avoir choisi, en novembre 2014, d'installer des scintillateurs sur chaque cuve du détecteur de surface, tout en rénovant entièrement l'éléctronique embarquée, un PDR a été soumis en avril 2015. En juin 2015, le projet d'Upgrade prend le nom Auger Prime.


Transit du soleil observé dans des antennes GHz

Dans le cadre du projet EASIER, 2 x 7 antennes de sensibilité accrue associées à des ampli très bas bruit ont été installées sur des cuves du SD, dans une configuration particulière (cuve centrale avec antenne pointant au zenith, entourée de 6 cuves avec chacune une antenne inclinée de 20 degrés vers la cuve centrale).

Le signal reçu par des antennes (Cornet, bande C) inclinées vers le Nord montre qu'elles détectent le passage du soleil dans leur angle solide (on rappelle que dans l'hémisphère Sud, le passge du soleil au zenith se fait dans la direction du Nord !).

Grace à ce signal, une vérification de l'étalonnage du canal de détection radio est possible.

 


 

L'Observatoire Pierre Auger en nocturne

Ce "Time lapse" a été réalisé à partir d'une serie de photos  prises par Steven Saff  en Novembre et Decembre 2013.

 

Pierre Auger Observatory time lapse from Steven Saffi on Vimeo


33eme conférence internationale sur les rayons cosmiques

juillet 2013

Lors de la 33eme conférence ICRC (International Cosmic Rays Conference) en juillet 2013, les derniers résultats de la collaboration Pierre Auger ont été présentés. Avec une augmentation de l’exposition de 50% en deux ans, celle-ci a atteint 32 000 km2.sr.an ; l'échelle en énergie a été modifiée (+16% at 1EeV /+12% at 10 EeV), avec une réduction de l'incertitude systèmatique de 22% en 2011 à 14% actuellement. Le spectre en énergie qui combine les résultats de plusieurs analyses distinctes couvre une gamme de 0,3 EeV (1 EeV= 1018 eV) à plus de 100 EeV (4 événements au dessus de 100 E eV).

Spectre ICRC 2013

 

Cliquez ici pour accéder à l'ensemble des contributions de la collaboration P. Auger.

De nouveaux critères de déclenchement ont été implémenté dans chaque détecteur Cherenkov du réseau de surface, abaissant ainsi le seuil en énergie pour lequel le SD est totalement efficace de 3 à 1 EeV, et augmentant le taux de gerbes détectées autour de l’EeV, ce qui ouvre des perspectives pour la précision des résultats dans cette gamme d’énergie.


 

 

Installation de EASIER61

Le plus grand détecteur radio de rayons cosmiques au monde.

Avril 2012

Le détecteur radio de rayons cosmiques le plus grand du monde, EASIER-61, vient d'être déployé et immédiatement mis en service (fin mars 2012) par une équipe du LPSC (Grenoble) et du LPNHE (Paris) sur le site de l'Observatoire Pierre Auger en Argentine.

EASIER-61, une étape de validation img 5533du projet EASIER (Extensive Air Showers Identification with Electron Radiometers) qui doit à terme compléter et étendre les capacités de l'Observatoire Pierre Auger, est constitué de 61 antennes sensibles dans la gamme du Giga Hertz qui sont installées au dessus et connectées à 61 cuves du réseau de détecteur de particules au sol de l'observatoire. Ces radiomètres sensibles à l'intensité et au développement de la composante électromagnétique des gerbes géantes détectées par l'observatoire, doivent apporter une information complémentaire précieuse permettant d'identifier avec précision la nature des rayons cosmiques aux plus hautes énergies. Avec cette étape à 61 antennes couvrant une surface de l'ordre de 100 km², EASIER devient le plus grand détecteur radio de rayons cosmiques jamais construit.