Quelles sont les sources des rayons cosmiques d’ultra-haute énergie ? Quel mécanisme physique peut les accélérer à des vitesses si proches de celle de la lumière ?  C’est un des grands mystères de l’astrophysique. Qu'il s'agisse de protons ou de noyaux d'atomes plus lourds, leur énergie en fait les particules les plus énergétiques de l’univers connu. Cette énergie peut dépasser les 10 puissance 20 eV et atteindre quelques dizaines de joules, une énergie macroscopique équivalente à celle d'une balle de tennis lancé à 150 km/h environ ! Pour achever leur portrait, ajoutons que  ces événements sont très rares : à peine plus d’un par kilomètre carré par millénaire aux énergies extrêmes ! Etienne Parizot, chercheur au laboratoire APC et professeur à l’Université Paris Diderot nous a mis sur la piste des réponses envisageables aujourd’hui et sur les moyens mis en œuvre.

Il y a deux techniques pour observer les rayons cosmiques : la détection des particules de la gerbe atmosphérique (qui résulte de l’interaction du rayon cosmique avec les particules de l’atmosphère terrestre) ou la détection de la lumière de fluorescence induite par ces particules secondaires de la gerbe. L'avantage du détecteur de fluorescence est qu'il permet d’observer la lumière d'une gerbe à distance avec un télescope couvrant un grand volume d’atmosphère : tout ce qui est dans le champ du télescope peut être observé, pourvu que la gerbe soit suffisamment énergétique. Ainsi, avec l’observatoire Auger, les détecteurs de fluorescence voient des gerbes à 40 km sans difficulté. Mais la technique de la fluorescence ne fonctionne que la nuit, dans un environnement pauvre en lumière parasite, soit 10 à 15 % du temps. L’observatoire Auger, qui utilise ces deux techniques, a étendu considérablement la capacité de détection, le handicap de tels instruments au sol étant qu'il leur faut couvrir une très grande surface (dans le cas d’Auger, il y a 1600 détecteurs répartis sur 3000 km²). Si on veut multiplier par 10 la surface, il faut alors multiplier par 10 le nombre de détecteurs, et cela devient vite impossible, pour des raisons pratiques autant que logistiques.

Le projet JEM-EUSO est la transposition dans l'espace, pour la détection des rayons cosmiques d'ultra haute énergie, de la technique de fluorescence. Le passage dans l'espace représente un challenge technologique, mais semble la meilleure façon d'augmenter significativement la statistique sur les rayons cosmiques dits « d’ultra-haute énergie ». L'idée de JEM-EUSO, pour accroître de manière significative le nombre de rayons cosmiques ultra-énergétiques détectés, c’est de prendre du recul… en prenant de l'altitude ! La meilleure façon d’observer un immense volume d’atmosphère est de se placer dans l’espace. L’ISS (la station spatiale internationale) est en orbite à 400 km d'attitude et permet donc, en regardant vers le sol dans un champ de 30° d’ouverture, de couvrir près de 200 000 km² avec seul instrument ! L’idée est donc de se placer dans l'espace non pas pour s'affranchir de l'atmosphère, mais pour mieux l’observer, et détecter ainsi, en prenant du recul, les particules d’ultra-haute énergie qui proviennent de l'espace.

Comme il s’agit de la technique de détection par fluorescence, l’instrument ne pourra prendre des données utiles que la nuit. Mais la surface couverte est telle que la capacité d’observation de l’instrument sera de l’ordre d’une dizaine de fois celle de l'observatoire Pierre Auger. Rien n’empêche d’imaginer plusieurs détecteurs en orbite autour de la Terre, ou de se placer plus loin encore de l’atmosphère, pour en couvrir un plus grand volume. JEM-EUSO pourrait ainsi n’être que la première étape d’une nouvelle voie ouverte, dans l’espace, pour l’observation de ces fameuses particules de l’extrême…

Bien sûr, rien n'est simple. D’abord, parce que ça n'a encore jamais été fait. Ensuite, comme la détection se fait à grande distance, la lumière est très ténue et il faut un détecteur qui soit sensible au « photon unique ». De surcroit, on ne peut voir que les gerbes les plus énergétiques. Là, par contre, ça tombe bien, ce sont pour elles avant tout que l’on cherche à accroître la capacité de détection.

Vous allez me dire, mais pourquoi donc s’intéresse-t-on tellement à ces fameux rayons ? Je sais, le suspense est à son comble, mais vous devrez attendre la prochaine publication pour connaître la réponse…

A bientôt.