Observatoire Pierre-Auger

Le projet de l'observatoire est lancé en 1992 à l'initiative du physicien américain Jim Cronin, prix Nobel 1980 pour ses travaux sur les interactions entre les particules, et de l'Anglais Alan Watson de l'université de Leeds au Royaume-Uni. Le troisième promoteur du projet est Murat Boratav de l'université Pierre-et-Marie-Curie de Paris. L'objectif est de construire le plus grand des détecteurs de rayons cosmiques pour pouvoir étudier les plus énergétiques d'entre eux. Le concept est précisé dans le cadre d'ateliers de travail qui se déroulent à Paris (1992), Adélaïde (1993), Tokyo (1993). Au cours du dernier atelier qui a lieu au Fermilab les 30 et 31 janvier 1995, un cahier des charges est rédigé figeant les spécifications et fournissant une estimation des coûts. Plusieurs sites sont étudiés uniquement dans l'hémisphère sud car il est prévu de construire un deuxième observatoire dans l'hémisphère nord pour disposer d'une couverture complète de la voute céleste. L'observatoire a besoin de beaucoup d'espace inoccupé de ciels clairs et de terrains plats. L'Afrique du Sud et l'Australie sont écartés et en novembre 1995 le site de l'observatoire est sélectionné : il s'agit d'une plaine (la Pampa Amarilla) à 1 400 mètres d'altitude qui est située à 370 km au sud de Mendoza en Argentine près de la petite ville minière de Malargüe (23 000 habitants). Le président argentin de l'époque Carlos Menem s'engage à verser 10 millions US$ (20 % du coût total) tandis que la province de Mendoza doit contribuer à hauteur de 5 millions US$. En tout 17 pays décident de contribuer à la construction de l'observatoire qui débute en 1999. Mais en 2001, l'Argentine subit un grave crise économique qui entraine la dévaluation du peso argentin qui perd les deux tiers de sa valeur. L'organisation doit se mettre à la recherche d'autres sources de financement[2]^,[3]. L'observatoire prend le nom du physicien Pierre Auger (1899-1993), qui découvrit les grandes gerbes de particules générées par les rayons cosmiques pénétrant dans l'atmosphère terrestre à l'observatoire de Jungfraujoch dans les Alpes suisses.

Les observations démarrent en janvier 2004 avec 154 détecteurs installés et les premiers résultats scientifiques sont publiés en novembre 2007. L'observatoire est inauguré le 14 novembre 2008. Le coût de la construction est d'environ 50 millions d'euros. De nouveaux instruments sont ajoutés par la suite pour fournir des données complémentaires. En 2010 le projet de construction d'un observatoire similaire mais beaucoup plus vaste dans l'hémisphère nord au Colorado qui était projeté dès le démarrage du projet est abandonné car les organismes de financement américains refusent d'y participer[3].

En 2015 l'observatoire qui a mesuré plusieurs dizaines d'événements, bien qu'ayant amélioré notre connaissance sur les rayons cosmiques à haute énergie, n'a pas rempli son objectif principal à savoir la détermination du mécanisme de production et l'origine de ces rayons. Il est devenu manifeste que cet objectif ne pourra éventuellement être atteint que par une évolution importante de la sensibilité de ses détecteurs. Plusieurs propositions ont été effectuées en 2014 dont le coût a été évalué à environ 13 millions €[3].

Les rayons cosmiques sont des particules chargées (protons ou noyaux plus lourds), qui bombardent en permanence l'atmosphère terrestre. Le flux de ces particules suit une loi de puissance en fonction de l'énergie, ${\displaystyle \phi (E)\sim E^{-\alpha }}$, où ${\displaystyle \alpha \simeq 2.7}$ : les rayons cosmiques les plus nombreux ont donc des énergies « raisonnables », de l'ordre du GeV, mais il existe aussi un faible flux de particules jusqu'à au moins ${\displaystyle \simeq 10^{20}}$ eV. À ces énergies, l'ordre de grandeur du flux est d'une particule par ${\displaystyle {\rm {km}}^{2}}$ par siècle. Le but de l'observatoire Pierre Auger est d'étudier ces rayons cosmiques de ultra haute énergie, environ entre ${\displaystyle 10^{18}}$ eV et ${\displaystyle 10^{20}}$ eV, dont la compréhension échappe encore largement à la science actuelle :

• On ne connaît pas les sources de ces particules. Il doit s'agir, a priori, d'objets astrophysiques particulièrement violents. Jusqu'à des énergies de ${\displaystyle 10^{15}}$ eV, on pense qu'il s'agit de restes de supernovae, mais à ${\displaystyle 10^{20}}$ eV, il s'agit potentiellement d'objets situés hors de notre propre galaxie. Des modèles très « exotiques » (matière noire super-lourde, défauts topologiques générés lors de la formation de l'Univers...) ont aussi été avancés.
• Les mécanismes de propagation de ces particules entre leurs sources et la Terre restent incertains. En particulier, aux énergies supérieures à environ ${\displaystyle 5\times 10^{19}}$ eV, elles doivent perdre rapidement leur énergie par interaction avec le CMB (c'est l'effet GZK, prédit de longue date et dont la confirmation/infirmation expérimentale est un but majeur de l'observatoire Auger). Par ailleurs, les rayons cosmiques sont probablement déviés par des champs magnétiques, ce qui empêcherait de « voir » directement les sources depuis la Terre.
• Lorsque les rayons cosmiques interagissent avec l'atmosphère en arrivant depuis l'espace, ils développent des grandes « cascades » de particules secondaires : ce sont d'ailleurs ces cascades qui sont détectées, in fine, par l'observatoire. Le développement de ces cascades à de telles énergies est encore mal compris, car les énergies mises en jeu sont bien plus élevées que celles auxquelles on accède expérimentalement dans les accélérateurs de particules actuels.

L'observatoire Pierre Auger est donc l'archétype d'une expérience « d'astroparticules » : on espère obtenir à la fois des informations en astrophysique, sur les sources des particules les plus énergétiques qui soient observables, et leur propagation dans l'univers et, dans le domaine de la physique des particules, sur les modèles d'interactions entre noyaux à des énergies auxquelles on n'a pas accès sur Terre.

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  Les différents types de détecteurs permettant d'étudier les rayons cosmiques. Plusieurs d'entre eux sont mises en œuvre à l'observatoire Pierre Auger.

Le but de cet observatoire est de détecter des rayons cosmiques à haute énergie. Alors que le spectromètre magnétique Alpha installé à bord de la Station spatiale internationale effectue des mesures sur les rayons cosmiques ayant une énergie au-delà de 10⁹ eV, l'observatoire Pierre Auger est conçu pour observer les rayons cosmiques ayant une énergie supérieure à 10¹⁸ eV. Le nombre de rayons cosmiques ayant ce niveau d'énergie est très faible et il est nécessaire de disposer d'une très grande surface de détection pour pouvoir espérer en détecter suffisamment. La spécificité de l'observatoire est de coupler deux modes de détection : d'une part des télescopes à fluorescence qui mesurent la lumière ultraviolette émise par les molécules de l'air brièvement excitées par le passage de la cascade de particules d'autre part des détecteurs Tcherenkov réagissant aux diverses particules de la cascade - électrons, photons et muon - qui atteignent le sol.

Miroir d'un des trois télescopes à fluorescence HEAT développé après l'ouverture de l'observatoire.

Plusieurs instruments complémentaires ont été ajoutés ou sont en développement depuis l'ouverture de l'observatoire notamment[6] :

• trois télescopes à fluorescence HEAT (High Elevation Auger Telescopes) pouvant effectuer des observations à plus haute altitude. Alors que le champ optique des télescopes en place couvre de 0° (direction horizontale) à 30° le champ optique des télescopes HEAT va de 30° à 60° ;
• deux réseaux de détecteur à haute densité combinés avec des compteurs de muons formant l'instrument AMIGA (Auger Muons and Infill for the Ground Array) ;
• un prototype de radiotélescope AREA (Auger Engineering Radio Array) destiné à détecter les émissions radio associées aux gerbes d'électrons dans la bande de fréquences 30-80 MHz.

En 2010, 124 antennes ont été installées. Elles captent les signaux radio des gerbes permettant ainsi de recouper les mesures de leur énergie. « [Ces signaux pourraient faire mieux et] permettre de déduire la nature des particules cosmiques avec une sensibilité équivalente à celles des télescopes Auger mais 24h/24 et avec un coût très faible ». Dans ce but la technique des télescopes micro-onde doit être améliorée avant une campagne d'installation sur le site de l'observatoire Pierre-Auger[7].

Plusieurs découvertes importantes ont été effectuées grâce aux données recueillies par l'observatoire.