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Antares, le télescope du fond des mers

Explorer les recoins de l'Univers depuis le fond des mers ? C'est possible avec le télescope Antares, un véritable bijou de haute technologie, mis au point notamment par le CEA de Saclay. Le prototype est installé par 2 500 m de fond au large de Toulon (Var). Les premières expériences ont été menées en 2005.

Le télescope AntaresChaque ligne couvrira une surface au sol de 0,1 km2. Au final (à l’horizon 2007), le télescope Antares sera constitué de 12 lignes de détection de ce type.
© F. Montanet CPPM / IN2P3/CNRS-Univ.Méditerranée

S'installer au fond de la mer pour regarder le sol afin d'observer le ciel à travers la terre : voilà qui n'est pas banal ! C'est la particularité du projet Antares. Jusqu'à présent, les astrophysiciens exploraient l'Univers à la lumière de particules appelées photons qui permettent de voir "loin" dans l'espace et dans le temps. La façon dont ils ont été produits permet de comprendre le fonctionnement des astres. S'ils sont faciles à détecter dans de grandes gammes de longueurs d'ondes, leur usage présente des inconvénients. D'abord, ils s'échappent difficilement des régions denses et chaudes de l'Univers, ce qui rend difficile l'exploration de ces zones qui restent "opaques" aux télescopes. Autre inconvénient : ils interagissent avec d'autres photons, ceux du fond diffus du cosmos, ce qui rend la lecture de l'Univers plus confuse.

La parade s'appelle le neutrino. Cette particule constitue un messager qui interagit très peu avec la matière et est insensible aux champs électromagnétiques qui règnent dans l'Univers. Elle ne se désintègre pas en cours de route et réussit à s'échapper des régions denses et chaudes de l'Univers. Autre avantage : le neutrino n'est pas une "denrée" rare. Le Soleil, par exemple, en émet plusieurs centaines de milliards de milliards par seconde.

Il existe plusieurs types de neutrinos. Les astrophysiciens recherchent les plus énergétiques. Ils font appel à une astronomie d'un nouveau genre dite de "neutrino". En effet, l'observation de particules implique nécessairement qu'elles interagissent avec quelque chose. Or, la faible interaction des neutrinos avec la matière les rend difficiles à détecter. C'est pourquoi ils utilisent des détecteurs différents de l'astronomie classique.
Lignes de détection d'AntaresChaque ligne couvre une surface au sol de 0,1 km2.
© F. Montanet CPPM/IN2P3/CNRS-Univ.Méditerranée

Lignes de détection d'AntaresLa Terre constitue un blindage naturel contre toutes les particules de l'Univers. Toutes, sauf les neutrinos... En fait, 99,9 % des neutrinos solaires traversent la Terre comme si de rien n'était et dans le 0,0001 % restant, il existe une probabilité qu'un neutrino ayant traversé la Terre produise un muon.

Le projet Antares s'intéresse à la détection de la lumière très caractéristique que produisent les muons. Lorsque le muon traverse un grand volume d'eau ou de glace, il émet un rayonnement appelé "Tcherenkov". L'analyse de cette lumière par Antares, le télescope sous-marin, permet de remonter aux caractéristiques du muon, et ensuite au neutrino qui en est à l'origine. Il s'agit donc d'une méthode indirecte pour cerner les confins de l'Univers.

Les scientifiques du CEA de Saclay et de l'Ifremer ont commencé l'installation du prototype début 2004, en Méditerranée, au large de Toulon, à 2 500 m de fond. Les premières observations ont eu lieu après l'installation des premières lignes définitives en mars 2006, complétées ensuite en mai 2008 pour atteindre un total de douze lignes. Antares observe le ciel de l'hémisphère Sud 24h/24 et apporte des données essentielles pour enrichir nos connaissances en astronomie, cosmologie et en physique des particules.

01.Le télescope du fond des mers

Photons s'échappant du soleilLe soleil émet dans toutes les fréquences de lumière, visible, infrarouge, ultraviolet. Ainsi, des photons de toutes les énergies sont diffusés de l'intérieur du soleil jusqu'à nous.
© CNRS Photothèque/CNET/Lactamme
Les astrophysiciens nous ont habitués à admirer l'Univers à la lumière de particules appelées photons. Rien d'étonnant à cela, étant donné qu'il existe une foule de phénomènes qui les produisent.
Ces éléments présentent la particularité de ne pas être chargés électriquement (on dit qu'ils sont "neutres"). Par ailleurs, insensibles aux champs électriques et magnétiques qui règnent dans l'espace, ils voyagent "longtemps". Ainsi, les photons permettent de voir "loin" à la fois dans l'espace et dans le temps.

Autres avantages : ils sont relativement faciles à détecter dans de grandes gammes de longueurs d'ondes, et ils véhiculent des informations détaillées sur la façon dont ils ont été produits. Ils permettent ainsi de mieux comprendre le fonctionnement des astres, qu'il s'agisse d'étoiles de tout type, des naines brunes, en passant par les étoiles de type solaire ou les géantes rouges, jusqu'aux supernovae et les noyaux actifs de galaxies...

Les photons sont donc des "messagers" essentiels pour notre compréhension de l'Univers. Malheureusement, par nature, les photons s'échappent difficilement des régions denses et chaudes de l'Univers. Conséquence : on ne peut pas étudier ces zones directement. Elles restent "opaques" aux télescopes. Autre inconvénient : ils interagissent avec d'autres photons, ceux du fond diffus du cosmos, ce qui rend parfois la lecture de l'Univers plus confuse…

Du coup, pour observer, étudier et comprendre les phénomènes astrophysiques lointains il faut utiliser un messager qui interagisse très peu avec la matière, encore moins que le photon. Cette particule doit être électriquement neutre, c'est-à-dire insensible aux champs électromagnétiques intenses qui règnent dans l'Univers. Elle doit également être stable : elle ne doit pas se désintégrer en cours de route. Elle doit enfin pouvoir s'échapper des régions denses et chaudes de l'Univers. Le neutrino constitue la seule particule qui possède toutes ces caractéristiques.

02.Le neutrino

Champs de vision du détecteur de neutrinosInstallé en profondeur sous l’eau, voilà le champ de vision dont bénéficiera le détecteur de neutrinos.
© F. Montanet CPPM/IN2P3/CNRS-Univ.Méditerranée
Dans l'Univers, il en existe plusieurs sources. Le cœur du Soleil, par exemple, émet plusieurs centaines de milliards de milliards de neutrinos par seconde. On les étudie depuis maintenant une trentaine d'années. On sait que chaque centimètre carré de notre peau est ainsi traversé en permanence par plusieurs milliards de neutrinos chaque seconde. D'autres sources clairement identifiées et répertoriées ont été identifiées : c'est le cas de la supernova SN1987qui émet des neutrinos de faible énergie (environ le Mev). Or personne, jusqu'à maintenant, n'en a observé avec de hautes énergies (supérieure au Tev). Pourtant la présence de rayons cosmiques ultra énergétiques (il s'agit de protons par exemple ayant une énergie de l'ordre de 10e20 eV, soit l'équivalent d'une balle de tennis lancée à environ 100 km/h !), laisse penser qu'il doit exister ce type de sources quelque part dans l'Univers.

Les sources censées produire des rayons cosmiques sont aussi le siège d'émission de photons gamma, mais aussi de neutrinos très énergétiques que les astrophysiciens cherchent à attraper. Or, pour cela, il faut pratiquer une astronomie d'un nouveau type, une astronomie de "neutrino" ! Il faut pour cela des détecteurs qui ne sont pas de la même nature et du même type que ceux qui sont utilisés pour l'astronomie classique. Observer des particules implique nécessairement qu'elles interagissent avec quelque chose. Or, la faible interaction des neutrinos avec la matière, les rend particulièrement difficiles à détecter.

03.Une méthode de détection indirecte

C'est tout l'objectif du projet Antares (Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental RESearch), un projet international associant notamment le CNRS et le CEA de Saclay. Son principe est le suivant : la Terre constitue un blindage naturel contre toutes les particules de l'Univers, des protons aux électrons en passant par les neutrons, les photons, etc. Tous, sauf les neutrinos... Ou plus exactement, 99,999 % des neutrinos solaires traversent la Terre comme si de rien n'était. Comme si elle leur était totalement transparente. Toutefois, dans le 0,0001 % qui reste, il existe une probabilité qu'un neutrino ayant traversé la Terre produise un muon. Toutefois, aux énergies concernant Antares, quelques pourcents se perdent lors de la traversée de la Terre. Le muon, cette particule bien particulière existe sous différentes formes, dont la masse et les caractéristiques quantiques sont parfaitement connues.

Muon de détecteur de neutrinosLe détecteur vu de haut, avec un muon entrant produisant un cône de lumière.
© F. Montanet/CPPM/IN2P3/CNRS-Univ.Méditerranée

Antares s'intéresse à la détection de ces muons, ou plus exactement à la détection de la lumière très caractéristique qu'ils sont capables de produire. Car, en effet, lorsque le muon traverse un grand volume d'eau ou de glace, il émet une lumière, un rayonnement appelé "Tcherenkov" très particulier. L'analyse de cette lumière permet de remonter aux caractéristiques du muon, et ensuite au neutrino qui en est à l'origine. Il s'agit donc d'une méthode vraiment indirecte. Pour appliquer cette méthode, il faut faire la différence entre les muons qui montent dits "ascendants", produits par interaction des neutrinos d'origine astrophysique et les muons "descendants" qui résultent de l'interaction du rayonnement cosmique dans l'atmosphère, et qui lui, n'intéresse pas les astrophysiciens.

De manière à atténuer le flux de particules descendantes, le détecteur doit être installé en profondeur, sous l'eau. Et comme le flux de neutrinos est faible par nature, il requiert un grand volume de détection. Enfin autre contrainte, le milieu environnant doit forcément être transparent à la lumière Tcherenkov, ce qui signifie que rien ne doit empêcher la propagation de cette lumière…

04.Un bijou de haute technologie

Déploiements des lignesA 40 km au large de Toulon, plusieurs navires, dont ceux du Ministère de l’Equipement, ont procédé aux tests et déploiements des lignes.
© F. Montanet CPPM/IN2P3/CNRS-Univ.Méditerranée
Ces données prises en compte ont conduit à la conception d'Antares
. Ce télescope est un véritable bijou de haute technologie mis au point, notamment, par les chercheurs du CEA de Saclay. Les scientifiques de cet institut, ceux de l'Ifremer et des différents laboratoires concernés ont commencé l'installation des premiers prototypes au début de l'année 2004, en mer Méditerranée, à 40 km au large de Toulon et à environ 2 500 m de fond.

Les premières véritables observations ont eu lieu après la pause des premières lignes définitives en mars 2006. L'installation a été complétée en mai 2008. Antares est aujourd’hui constitué de 12 lignes, chacune comprenant 25 étages, chacun des étages comprenant 3 photomultiplicateurs sensibles à la lumière Tcherenkov. Ces lignes font environ 450 m de long, sont espacées de 60 à 75 m et couvrent une surface au sol de l'ordre de 0,1 km2. Elles "regSphère de verreLe détecteur Antares sera équipé de 900 photomultiplicateurs installés dans ce type de sphères de verre capables de résister à une pression de 250 bars.
© Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules
ardent" vers le bas avec un angle de 45 ° pour détecter au mieux les neutrinos "montants" qui ont traversé la Terre. Comme les neutrinos sont émis en permanence dans l'Univers et qu'il n'est pas nécessaire qu'il fasse nuit pour les détecter, Antares peut observer le ciel de l'hémisphère sud 24h/24.

Au total, ce détecteur est constitué d'un réseau de 900 photomultiplicateurs, le tout installé dans des sphères de verre résistant à une pression de 250 bars. Une partie de l'électronique est constituée d'un circuit qui capture et stocke la forme et les différents temps d'arrivée du rayonnement Tcherenkov. Cette partie électronique comprend aussi toute la partie qui permet d'alimenter en électricité les photomultiplicateurs, le système nécessaire à la transmission des données et au contrôle des différents paramètres de fonctionnement. Au bas de chaque ligne, les informations transitent dans des câbles électro-optiques connectés, à l'aide d'un sous-marin, vers une boîte de jonction reliée à la côte.

05.Un programme scientifique chargé

Le télescope AntaresChaque ligne couvrira une surface au sol de 0,1 km2. Au final (à l’horizon 2007), le télescope Antares sera constitué de 12 lignes de détection de ce type.
© F. Montanet CPPM / IN2P3/CNRS-Univ.Méditerranée
Le programme scientifique se divise en trois parties distinctes : astronomie, cosmologie et physique des particules. Au menu d'Antares donc, une foule d'astres censés produire des neutrinos de haute énergie. Comme les systèmes d'étoiles binaires dans notre galaxie par exemple. Dans ce cas précis, la matière d'une des étoiles, la moins massive des deux, est absorbée par le compagnon. Au cours de ce phénomène, les particules sont accélérées, atteignant des vitesses proches de celles de la lumière, et produisent en même temps des neutrinos dont les caractéristiques peuvent donner des informations sur le système binaire.

Dans un autre genre, les supernovae, ces explosions d'étoiles qui ont lieu partout dans l'Univers, et ce qui reste aussi après l'explosion (un astre petit et dense) peuvent également produire des neutrinos qui contiennent des informations précieuses sur les processus à l'œuvre lors de ces événements.

Autre source de neutrinos dans notre galaxie : les micro quasars. Il s'agit de petits trous noirs de quelques masses solaires qui absorbent - "accrètent" disent les astrophysiciens - de la matière. Par définition, les trous noirs sont "invisibles". En revanche, leur gravité est telle qu'ils absorbent la matière environnante en l'accélérant ; matière qui, à son tour, peut émettre des neutrinos. Détecter ces particules permet donc d'étudier indirectement la physique des trous noirs.

Antares étudie aussi des sources situées en dehors de la Voie lactée, ce que les astrophysiciens appellent les "noyaux actifs de galaxies". Ce sont probablement les astres les plus violents et les plus énergétiques de l'Univers : Modules optiquesDétail d'un étage équipé de trois modules optiques.
© F. Montanet/CPPM/IN2P3/CNRS-Univ.Méditerranée
censés abriter en leur centre des trous noirs de plusieurs milliards de fois la masse du Soleil. Eux aussi émettent des neutrinos ultra énergétiques. Enfin, autre objet d'étude : les sursauts de rayons gamma dont les astrophysiciens soupçonnent qu'ils sont associés à des émissions de neutrinos tout comme certains pulsars, des étoiles à neutrons qui tournent sur elles-mêmes plusieurs fois par seconde et qui éjectent en même temps des neutrinos. Autre discipline concernée, la cosmologie. Un des objectifs d'Antares réside dans la détection de la fameuse "matière noire" de l'Univers. Aujourd'hui, la plupart des chercheurs pensent que la grande majorité de la masse dans l'Univers est "invisible". Cette matière, non "lumineuse", qui par définition n'émet pas de lumière, est pour cette raison, dite "noire". Par opposition à la matière classique, celle-ci est constituée de protons, de neutrons ou d'électrons qui eux peuvent émettre des photons, donc de la lumière, et être ainsi détecté.

Au vu des observations réalisées depuis plusieurs années concernant les propriétés de l'Univers à grande échelle, il se pourrait que la majeure partie de la matière soit sombre. Un des objectifs d'Antares est donc de détecter les WIMPS (Weak Interacting Massive Particules) qui pourraient constituer jusqu'à 90 % de la masse de l'Univers et dont certains produits de désintégration sont constitués de neutrinos. Mais des observations menées en 2004 au Canada laissent penser que les neutrinos auraient une masse. Or, leur en attribuer une signifierait justement aller au-delà du modèle standard. Les neutrinos existent sous trois formes différentes, sous trois états différents. Les physiciens disent "saveurs", chacune correspondant à une réaction où un électron, un muon ou un tau (qui sont deux types de particules difModule optiqueGros plan d’un module optique.
© F. Montanet/CPPM/IN2P3/CNRS-Univ.Méditerranée
férentes) est en jeu. La mécanique quantique stipule que si les neutrinos ont une masse, un neutrino d'une saveur donnée doit pouvoir se transformer en un neutrino d'une autre saveur lors de son parcours. Autrement dit, ils "oscillent" d'un état à un autre, d'une saveur à l'autre. Or les rayons cosmiques interagissent avec l'atmosphère et produisent des neutrinos de deux saveurs différentes :des neutrinos de saveur "électron" et "muon". Théoriquement, il suffit donc d'observer le rapport de ces deux types de neutrinos pour savoir s'ils oscillent et donc s'ils ont une masse.

Le programme de recherche du télescope Antares est bien chargé. Les chercheurs du projet sont actuellement impliqués dans l’analyse des premières données et dans la vérification de l’appareillage. En parallèle, ils participent à un consortium beaucoup plus large, financé par l’union européenne à hauteur de 14 M€, pour la définition et la préparation du prochain détecteur d’un ou plusieurs km3.

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