Cosmax et Cosmix

Astronomie gamma avec le  satellite Fermi-LAT (Large Area Telescope)

Document 1

   Le projet COSMAX est basé sur l’utilisation des données du satellite spatial Fermi détectant des rayons gamma pour réaliser des cartes du ciel et mettre en évidence des événements cosmiques intéressants (sursauts solaires, sursauts gamma, éruptions de noyaux actifs de galaxie, novas….).

Les rayons cosmiques détectés sur Terre constituent la preuve la plus directe de l’existence d’« accélérateurs cosmiques » dans l’Univers. La nature de ces accélérateurs est restée longtemps un mystère, principalement parce que les rayons cosmiques sont défléchis de manière aléatoire dans les champs magnétiques omniprésents dans l’Univers. L’information associée à leur direction d’émission par rapport à la Terre est alors perdue.

  Les rayons gamma constituent un moyen privilégié́ d’étudier les accélérateurs cosmiques, qu’ils soient à l’origine des rayons cosmiques observés sur Terre ou non : ces rayons sont produits uniquement par des particules de très grande énergie interagissant avec la matière, des champs magnétiques ou des radiations de basse énergie (comme la lumière) et ne subissent pas de déflexion en traversant les champs magnétiques.

  Benoit LOTT – CENBG

Document 2

Les rayonnements gamma sont les photons les plus énergétiques du spectre des radiations électromagnétiques. Leur fréquence est supérieure à 3.0 1019 Hz et peuvent atteindre des énergies pouvant aller jusqu’au TeV.  L’atmosphère terrestre est pratiquement opaque à ces rayons. On en dénombre environ un rayon gamma ultra énergétique par mois par m² au sol !

TESTEZ VOS CONNAISSANCES

1 Citer une origine des rayons gamma ?

2. Quel avantage possède les rayons gamma par rapport aux autres  particules des rayons cosmiques, avantage qui a permis d’obtenir une image gamma du ciel représentée ci-dessus ?

3. Que nous apprend une telle carte ?

4. Quelle est l’énergie minimale en MeV  d’un photon  gamma ?

 Document 3

 Le satellite Fermi orbite la Terre à une latitude 565 km, ce qui correspond à une période de 96,5 min. Son instrument principal, le LAT (Large Area Telescope) détecte les rayons gamma dont l’énergie est supérieure à 30 MeV.

 Les photons gamma sont rares : avec une surface d’environ 1 m² le LAT ne détecte en moyenne que 3 photons par seconde, alors que les rayons cosmiques détectés dans le même temps sont approximativement 1000 fois plus nombreux.  Quand ils pénètrent dans le détecteur, la majorité des photons se convertissent en paires électrons-positons (une application de la fameuse formule d’Einstein E = m.c²). La direction initiale et l’énergie du photon va être « reconstruite » grâce à des algorithmes sophistiqués à partir des signaux laissés par les électrons et positons dans les deux principaux éléments du LAT, appelés trajectographe et calorimètre. Un troisième élément, le bouclier d’anticoïncidence permet de savoir si la particule ayant pénétré dans le LAT est chargée ou non, et ainsi de faire une discrimination entre rayons cosmiques (chargés) et rayons gamma (électriquement neutres).

https://www.cenbg.in2p3.fr/IMG/png/Glast.png

TESTEZ VOS CONNAISSANCES

5. Le satellite Fermi-LAT (Large Area Telescope) détecte des rayons gamma d’énergie supérieure à 30 MeV.  Quelle est  longueur d’onde minimale associée dans le vide ? Quel aspect doit-on alors considérer pour détecter ses rayons, ondulatoire ou particulaire ?  Calculer  la quantité de mouvement en MeV/c  correspondante.

6. Pour quelle raison principale utilise-t-on un satellite pour faire de l’Astronomie gamma ?

7.Quel est le processus à l’origine de la détection des rayons gamma ?

8. Pour quelle raison le télescope ne détecte pas les particules chargées constituants les rayons cosmiques ?

9. Retrouver par le calcul la  période de révolution circulaire uniforme du satellite Fermi-LAT.

10. Comparer les rayons gamma au rayonnement radio. Citer des sources célestes d’ondes radio. Peut-on accéder de la Terre à des cartes radio du ciel ? Justifier.

Données :

 MT=5.97 x 1024 kg ; RT = 6380 km ; G = 6.67 x 10-11 unités S.I.       1eV =1.602 x 10-19 J ;  h=6.64×10-34 J.s

La vitesse du centre d’inertie d’un satellite d’orbite de rayon r est : 

MALLETTE COSMIX

Le dispositif Cosmix utilise  des barreaux de scintillateur qui ont servi  aux tests au sol du calorimètre du LAT (Document 3).

 Quand un muon atmosphérique traverse le milieu scintillant, il produit dans ce milieu des photons. Arrivés sur une photodiode, ses photons produisent  à  leur tour  des charges électriques à l’origine d’une impulsion électrique mise en forme dans un préamplificateur et un amplificateur. Une carte (Arduino) permet après numérisation des signaux, le comptage des muons. La mallette comprend deux compteurs C1 et C2 indépendants. Le compteur C2 étant amovible.

Signal correspondant à l’arrivée d’une particule visualisé à l’oscilloscope à mémoire.

Signal acquis à l’aide de l’interface Eurosmart
Particule détectée en coïncidence avec les deux barreaux.

Djafer ADENY