Astronomie sur l'ile de La Palma: des télescopes optiques aux rayons gamma cosmiques - Jean-Pierre Lees, 01/12/2017, Tycho Brahé
←
→
Transcription du contenu de la page
Si votre navigateur ne rend pas la page correctement, lisez s'il vous plaît le contenu de la page ci-dessous
Astronomie sur l’ile de La Palma: des télescopes
optiques aux rayons gamma cosmiques
Jean-Pierre Lees, 01/12/2017, Tycho Brahé
Présentation générale du site
Télescopes Optiques
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 2
Situation géographique
28° 6′ N, 15° 24′ W
(5° au dessus du Tropique du Cancer)
Alizés de NE
MAROC
Iles Canaries
Lanzarote
La Palma
Tenerife
150km
230km
100km
Fuerteventura
La Gomera
Gran Canaria
El Hierro
Ex Sahara Espagnol
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 3
Ile des canaries la
Tenerife plus peuplée avec
900000 habitants
3715m: Pt culminant de l’Espagne!
Instituto de Astrofísica
de Canarias (IAC) @ La
Laguna :
Il gère l’observatoire du
Teide à Tenerife (2390m,
fondé en 1964) et
l’observatoire du Roque
de los Muchachos
(ORM) à La Palma
(2396m, fondé en 1984)
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 4
La Palma
N
2396m (Pt culminant de l’ile) 36km « Ile la plus verticale du
2400m de dénivelé monde »
~500 virages
Observatoire • 708 km2
1h de route
• 86000 habitants dont
Cumbre Nueva
18000 à Santa Cruz et
20000 à Los Llanos
Caldera de Taburiente • Une ile jeune: 4 millions
aéroport
d’années
• Volcanisme actif dans la
Cumbre Vieja (au sud)
Barranco de las Augustias ➢ 1646 Volcán San Martin
➢ 1677 Volcán San Antonio
➢ 1712 El Charco
➢ 1949 Volcán Nambroque
➢ 1971 Volcán Teneguía
Madrid – La Palma:
2156km, soit 3h de vol
S
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 5
Des paysages contrastés!
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 6
Des conditions propices à l’astronomie
La brise des alizés provoque une formation de nuage entre mille et deux mille mètres
d'altitude (surtout sur la côte Est/Nord-Est) , mais l'inversion thermique qu'ils génèrent
empêche la formation de nuages au dessus de 2000m. Ces facteurs naturels font que les
nuages créent un miroir naturel protégeant le site de la pollution lumineuse des villes côtières.
Les cieux des Îles Canaries sont les plus nets et les plus clairs d'Europe. De plus, ils sont
protégés par la Loi sur la Protection de la Qualité Astronomique des Observatoires qui contrôle
la pollution lumineuse, radioélectrique et atmosphérique et qui régule les couloirs aériens
pour que rien ne gêne l'observation des astres.
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 7
Une ile protégée
« Starlight Reserve »
• Ile protégée de la pollution lumineuse
• Nombreux points d’observation aménagés pour
les astronomes amateurs
« anyone can enjoy the night sky in La Palma even in
towns and cities by just looking up »
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 8
Tourisme astronomique à La Palma
• Tours clé en main ou location de matériel
(monture, télescope, …)
• Visites de l’observatoire
http://astrolapalma.com/
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 9
L’observatoire du Roque de los
Muchachos (« Le rocher des garçons »)
Isaac Newton Group of Telescopes (ING) :
➢ 4.2 m William Herschel Telescope,
➢ 2.5 m Isaac Newton Telescope
➢ 1 m Jacobus Kapteyn Telescope.
Solar telescopes
2 m Liverpool Telescope
(Suède et Hollande)
2.5 m Nordic Optical
Telescope (NOT) 3.4m TNG (Italie)
10.4m GTC (Espagne)
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 10L’observatoire du Roque de los
Muchachos (« Le rocher des garçons »)
Isaac Newton Group of Telescopes (ING) :
➢ the 4.2 m William Herschel Telescope,
➢ the 2.5 m Isaac Newton Telescope
➢ the 1 m Jacobus Kapteyn Telescope.
The 2.5 m Nordic Optical Telescope (NOT).
The 1 m Swedish 1-m Solar Telescope (SST) operated by the Institute for Solar Physics.
The 0.45 m Dutch Open Telescope (DOT).
A 0.6 m optical telescope.
The Carlsberg Meridian Telescope (CMT).
The 1.2 m (3 ft 11 in) Mercator Telescope (semi-robotic, U.Louvain)
The 2 m Liverpool Telescope.
The 10.4 m Gran Telescopio Canarias (Great Canary Telescope, dedicated 24 July 2009).
The 3.6 m Telescopio Nazionale Galileo (TNG).
The 17 m MAGIC Telescope, an air shower Cherenkov telescope for observing high energy
gamma rays
The SuperWASP-North telescope, used to detect extrasolar planets.
• And soon Cerenkov Telescope Array (CTA, north site)…..
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 11L’observatoire du Roque de los
Muchachos (« Le rocher des garçons »)
Nordic Optical
Swedish 1-m Solar Telescope (NOT,
Telescope (SST) 2.50m).
Dutch Open Telescope William Herschel
(DOT, 0.45m) Telescope
Gran Telescopio (WHT, 4.20m)
Canarias
(GTC, 10.40m)
2 m Liverpool
Telescope
4.2 m 3.6 m Telescopio
Nordic Optical Gran Telescopio
2.5 m William Telescope (NOT, Nazionale Galileo Canarias
Isaac Herschel 2.50m). (TNG).
Newton (GTC, 10.40m)
Telescope
Telescope
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 12Sur les bords de la caldeira du Taburiente Vendredi 3 novembre 2017 vers 17hJ.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 13
ZOOM sur… le GTC
Première lumière: 14/07/2007
type Ritchey-Chrétien Le GTC en chiffres
(2 miroirs hyperboliques) • Un des plus grands télescopes du
monde (∅ 10.4m) en attendant l’EELT
au Chili (∅ ≈20m)
• Poids total (mobile) = 400 T
• Miroir segmenté: 36 miroirs minces
(e=8cm) hexagonaux de 450kg (Safran),
polis avec une précision de 15nm, et
réaluminisés tous les deux ans. Poids
total 17 T et surface effective 73 m2
• Optique active: actionneurs sous
chaque miroir pour maintenir le miroir
dans une forme optimale.
• Miroir secondaire allégé en Béryllium
(Safran)
• Focale effective = 169.9 m
3 foyers : Cassegrain + deux foyers Nasmyth • Champ: de 15 arcmin (Cassegrain) et
Plus d’informations sur http://www.gtc.iac.es/ 20 arcmin (Nasmyth)
• 2017Echelle de l’image : 0,82 mm/" 14
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembreZOOM sur… le GTC
Nasmyth – Cassegrain
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 15Taille des plus grands télescopes du monde
En projet
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 16W.Herschel Telescope ou WHT (4.2m, 1987)
Miroir secondaire Monture alt-azimuthale, poids (mobile) 200T
Hyperboloide (1m) Focale aux foyers Nasmith et Cassegrain : 46.2 m (f/11)
Possibilité de monter des instruments au foyer du miroir
primaire (f/2.8, soit f ≈ 12m )
Miroir tertiaire Un des télescopes utilisés pour le suivi photométrique des
SN1a (Perlmutter et al) dans les années 1990/2000
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 17Telescopio Nazionale GALILEO ou TNG
(3.6m, 1996)
∅ miroir primaire 3.58m – optique active (78 actionneurs).
∅ Miroir secondaire 0.875m
Focale 38.5m (f /11), champ exempt de vignetage 25’
4 instruments installés de façon permanente aux 2 foyers
Nasmith (visible et proche infrarouge)
Résolution au plan focal 5.36 arcsec/mm
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 18Nordic Optical Telescope ou NOT
(2.56m, 1988)
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 19I.Newton group et Liverpool telescope
1 m Jacobus
Kapteyn
2.56 m Isaac Telescope
Newton
Telescope
1.2 m Mercator
Telescope
2 m Liverpool
4.2 m WHT Telescope
Télescope Isaac Newton:
Le plus grand télescope anglais de son époque
Initialement au château d’Herstmonceux (Sussex) de 1967 à 1979
Transporté à La Palma en 1979 et remis à neuf – première lumière
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 20
en
1984 et premier grand télescope sur le site de La PalmaL’ Astronomie gamma:
introduction
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 21Rappel: le spectre électromagnétique
ev = electron volt. Energie acquise par un électron accéléré sous une ddp de 1Volt
E = hν
ν = c/λ
Energies des photons du
On parlera ici de γ de 10 GeV
rayonnement électromagnétique:
(109ev) à 1000 TeV (1000 × 1012ev)
visible: photons de quelques ev
UV: 10 à 100 ev X: 100ev à 100keV E=mc2 : un proton a une masse équivalente à 1GeV
Gamma (γ): au-delà de 100keV.
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 22Principales sources des
Pourquoi détecter les rayons γ
rayons cosmiques au
delà du GeV
Restes de Supernovae
ati èr e noire?
M e-, p+, .., Fe
Etat
Annihilation
final
Déviés par les champs
magnétiques galactiques et
Nebuleuses de pulsar
intergalactiques
Difficiles à
ν détecter
(interagissent
peu)
Noyaux actifs de galaxies (AGN)
γ Faciles à détecter
Gardent la mémoire de leur
direction initiale
Les rayons gamma au TeV sondent
L’accélération et la propagation de particules (rayons cosmiques)
Les processus haute énergie dans une large variété d’objets
La matière noire et les lois fondamentales de physiqueRemarque: origine du rayonnement γ
Seules des particules électriquement chargées peuvent être accélérées
• Protons ou hadrons de haute énergie
➢p + noyau →X π0→ X γγ
• Electrons de haute énergie
➢ Pertes synchrotron
➢ Bremsstrahlung
➢ Diffusion Inverse-Compton
• Annihilation de matière noire (hypothétique)
➢χχ → X γ
24
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017Problème: la transparence de l’atmosphère
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 25Pourquoi des détecteurs au sol?
Les flux (N particules/ surface/
temps) décroissent en 1/En
avec n entre 2 et 3
1 particule/m2/s
Satellites
Détecteurs au sol
1 particule/m2/jour
1 particule/m2/ an
À haute énergie il faut de
très grandes surfaces
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 26
⇒ détecteurs au solPrincipe de détection
Détection de la lumière Cerenkov émise par les cascades atmosphériques (p, e, γ, …)
Pour les gerbes de γ ou d’électrons la cascade ne contient que des e+ /e- et est plus concentrée
Émission cerenkov si vitesse
particules secondaires >
vitesse de la lumière dans l’air
v > c/n
• n indice optique de l’air
• c vitesse de la lumière dans
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017
le vide 27IC443
DÉTECTION AU SOL DU
RAYONNEMENT γ
γ ray p background
stereoscopy
Electromagnetic Gerbe de proton
cascade
10 km Cherenkov image d’un µ
light
Δt ≈ 5 ns
Fast Camera
Image d’une
gerbe de proton
shower image 150 m
(10ns)
orientation de l’image⇒ direction
Intensité lumineuse ⇒ energie
Forme ⇒ discrimination entre gamma et protons
Stereoscopie ⇒ résolution angulaire meilleure
Crédit: Cherenkov Telescope Array Observatory
28
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 201730 ans d’astronomie γ en France: HIER
Expériences à
l’ancienne centrale
solaire THEMIS
(1988 – 2004)
• Flux et spectre en énergie
de la nébuleuse du Crabe
• Découverte de 4 sources
γ extra galactiques (Blazars)
Mkn 421, Mkn 501, …
ASGAT (1988, E>600 GeV), CAT (1994, E>250 GeV)
THEMISTOCLE (1988, E> 2 TeV)
et CELESTE (1996, E>60 GeV) Imagerie de la gerbe avec une
caméra constituée d'un grand
Echantillonnage spatio-temporel des nombre de pixels (600) et équipée
cascades atmosphériques à l'aide de d’une électronique ultra-rapide
plusieurs stations
29
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017AUJOURD’HUI: HESS
(Mont Khomas, Namibia)
Miroir 107 m2
Champ de vue 5°
E>200 GeV
HESS1 (2004): 4 télescopes Caméra 960 px, 900 kgs
Miroir 614 m2
Champ de vue 3.5°
+CT5 (2012) = HESS 2 E>20 GeV
f=36 m Caméra 2048 px, ~3300 kgs
f=15 m D=28 m
D=12 m
30
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017Et MAGIC sur le site des Canaries 3/11/2017 18h19 J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 31
Et MAGIC sur le site des Canaries
∅ 17 m
S = 236 m2
3/11/2017 18h19 J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 32SIGNAL DE LA NÉBULEUSE DU CRABE
(SOURCE TRES BRILLANTE)
Nombre de coups
Fond résiduel
(protons, électrons)
Écart / position théorique
Résolution angulaire typique 3 à 4 arcmin (0.06°)
(fonction de l’énergie) contre 1 arcsec pour un grand télescope optique
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 33Signal de sources plus faibles
Signal de l’AGN Fond résiduel
PKS 2155 AGN (protons, électrons) Galaxie naine du Sagittaire:
absence de signal… ou signal
trop faible pour être vu
Nombre de coups
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 34Quelques résultats choisis
Étude de sources étendues (ici
une supernovæ en coquille)
Cartographie des
sources galactiques et des Sources
extragalactiques
• Plus de 90 sources au TeV découvertes depuis les débuts de Hess
• Restes de supernovae, pulsars et noyaux actifs de galaxies établis comme source
d’accélération des rayons cosmiques
• Études détaillées pour comprendre les mécanismes d’accélération et la nature des
sources (morphologie, spectres en énergie, variabilité, …
35
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017Cartographie des sources au TeV
TeVCat, janvier 2017: 181 sources répertoriées dont ~ 2/3 découvertes par HESS
Stellar Clusters
AGN = active Galaxy Nuclei Binary systems
SNR = SuperNovae Remnant unidentified
PWN = Pulsar Wind Nebula Starburst Galaxy
36
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017PULSAR DE VELA (HESS2) Second VHE
pulsar
Statistique beaucoup plus importante que le Flux au dessus de 20 GeV en accord
satellite Fermi-LAT, mais fond également plus avec les mesures de Fermi-LAT
important
89 ms
~16 000 γ (P2) pulsar
Coups / unité de temps
> 15 σ fond
Sur un fond de 750000
(satellite)
Temps (période de 89ms)
37
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017Astronomie gamma
sur le site de La Palma:
construction de CTA
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 38Performances visées par cta
et motivations scientifiques
39
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017AUGMENTER LA SURFACE DE DETECTION
et la résolution angulaire…
Réseau de N × N télescopes (N ≥2)
Illumination Surface effective S α (N-1)2
au sol
R~150 m
S = zone optimale pour la
reconstruction stéreoscopique et le
déclenchement
40
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017LA SOLUTION IDÉALE… TITRE Coût: ~4000 M€
41
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017La solution réaliste: CTA
LST (!23m)
MST (!12m)
SST (!4m)
Site Sud Site Nord • 2 sites (couverture
complète du ciel)
• 3 classes de télescopes
(large couverture
spectrale )
• 118 télescopes (8 LST, 40
MST, 70 SST)
42
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017Les télescopes de CTA
Large Size Telescope (LST)
!23m
IN2P3 Mid Size Telescope (MST)
!12m IN2P3, INSU INSU
(obs Paris)
IRFU
Small Size Telescope (SST)
!4m
• Basses énergies (20 -200 GeV) • Moyenne énergie (100 GeV–10 TeV) • Haute énergie (E >5 TeV)
• Optimisé pour l’observation de • Cœur des réseau • Caméras SiPM
phénomènes transitoires • Large champ de vue (8°) • 3 types de télescopes et 3
• Structure haute en fibre de carbone• Deux types de caméras modèles de caméra.
~10 M€/telescope ~2.5 M€/telescope ~0.8 M€/telescopeSENSIBILITE ATTENDUE
~1 mCrab
Energy range: 20 GeV – 300 TeV
44
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017Calendrier du Projet
LST1 MST1
2007 2012 2017 2019 2022 2024
45
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017Choix des sites de CTA (2015-2016)
Site Nord: La Palma (Canaries)
Site Sud: Paranal (Chili)
46
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017Site sud
European Extremely Large Telescope
47
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017La France (LAPP) dans le consortium LST
20 instituts et environ 150 collaborateurs
Allemagne – Brésil – Croatie – Espagne – France
Inde – Italie – Japon –Suède – Suisse Contrôleur caméra
• M~100T (développement commun
• Repositionnement en 20 ’’ avec NectarCAM)
• Déplacement caméra max // axe
optiqueArche et cadre de caméra
Arche composée de 2x3 sections Cadre de camera = carré de
(12m chacune) 3140 × 3140 mm, Sandwich
310 mm de diamètre (14-17mm Fibre de Carbone & Mousse
de fibre de carbone)
Production industrielle et contrôle des premiers 3 éléments de l’arche Image CAO du cadre de camera
haubanée du LST1, installation prévue avril 2018
49
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017Système de drive
(pilotage du télescope)
Les LSTs sont conçus pour pivoter de 180° en azimut et 90° en élévation en 20”
• Motorisation adaptée aux 100 tonnes du télescope (TGV = 385 tonnes)
• Près de ½ MWatts nécessaire par télescope (TGV 8.8 MWatts)
Deux modes de contrôles
• Contrôle de Vitesse à grande vitesse
• Contrôle de Position durant le tracking
La sécurité est l’élément critique
• Contrôle du système lors d’une coupure de
×2
courant
• Freinage d’urgence
• Gestion des zones autorisées
×4
50
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017FONDATIONS DU LST1, 01/12/2016
51
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017Construction du LST1, 03/12/2017
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 52Vue générale du site de CTA, 03/12/2017
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 53Construction du LST1, 08/12/2017
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 54Construction du LST1, 08/12/2017
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 55Construction du LST1, 08/12/2017
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 56Construction du LST1, 08/12/2017
J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 57Vue du site en 2023? Jean-Pierre Lees
THE END J.P.Lees, Tycho Brahé, 1er décembre 2017 59
Vous pouvez aussi lire
