JEM-EUSO
| Type |
Expérience dans la station spatiale internationale(d) |
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| Gestionnaire |
JEM-EUSOacronymede (Extreme Universe Space Observatory on Japanese Experiment Module) est un projet d'observatoire spatialchargé d'analyser depuis l'espace les manifestations desrayons cosmiquesà très haute énergie (> 3x1019eV).
Cette mission spatiale a pour objectif principal de déterminer l'origine de ces particules et de tenter d'expliquer leur existence qui contredit lalimite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin.Il prend le relais de l'observatoire Pierre-Augergrâce à sa capacité à détecter un nombre de particules à haute énergie statistiquement significatif. L'instrument développé par plusieurs instituts de recherche de différents pays emmenés par le laboratoirejaponaisRIKEN(Université de Tokyo) doit être installé vers 2020 à bord de laStation spatiale internationale.
Contexte
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Historique du projet
[modifier|modifier le code]JEM-EUSOest la concrétisation de deux projets développés à la fin des années 1990 pour observer les rayons cosmiques à très haute énergie: respectivement les projets OWL (Orbiting Wide-angle Light-collector) de la NASA et Airwatch des chercheurs italiens. Au début des années 2000 l'Agence spatiale européenne sélectionne pour son laboratoire spatial Colombus (module de la Station spatiale internationale) l'expérience EUSO (Extreme Universe Space Observatory) pour l'étude des rayons cosmiques. En 2004 ce projet passe avec succès la phase A mais à la suite de problèmes financiers rencontrés par l'agence spatiale reste bloqué à ce stade. Le projet est alors repris en 2007 par l'Agence spatiale japonaise (JAXA) en collaboration avec 95 institution de 16 pays différents (Algérie, Etats-Unis d'Amérique, Japon, Russie, Corée du Sud...). Le nouveau projet baptisé JEM-EUSO (JEM = module spatial japonais de la station spatiale internationale) devait être lancé initialement en 2015 par une fusée japonaiseH2-Ben tant que charge utile externe d'uncargo spatialHTV[1].Des prototypes à échelle réduite destinés à mettre au point l'instrument ont été testés au sol (Telescope Arrayen 2013) et en vol dans le cadre de missions aéroportées par ballon (EUSO-BALLOON 2014) organisées par leCNES.D'autres tests effectués depuis ballon sont planifiés - EUSO-SPB et MINI-EUSO en 2017- ainsi qu'un prototype spatial K-EUSO en 2019[2].
Principes de fonctionnement
[modifier|modifier le code]L'observation des rayons cosmiques se fait traditionnellement depuis des observatoires terrestres soit en détectant et analysant lesgerbes de particulesproduites par la collision du rayon cosmique avec l'atmosphère terrestre soit en observant la fluorescence produite par l'arrivée du rayon cosmique dans l'atmosphère terrestre à des vitesses ultra-relativistes.
JEM-EUSOutilise une nouvelle technique d'observation des rayons cosmiques qui repose sur un télescope spatial. Celui-ci observe depuis une altitude de 400kmle rayonnement ultraviolet (longueurs d'onde 330–400 nm) des traces fluorescentes produites par les rayons cosmiques arrivant dans l'atmosphère terrestre à des vitesses ultra-relativistes. Les photons desgerbes de particulescréées par la pénétration des rayons cosmiques dans l'atmosphère sont également observées lorsqu'ils sont réfléchis par le sol. Le télescope ultraviolet enregistre la trace laissée par la gerbe de particules avec une résolution temporelle de 2,5 μs et une résolution spatiale de 0,5km(correspondant à une résolution angulaire de 0,07° lorsque l'instrument est pointé vers le nadir). En relevant le développement cinématique de la gerbe de particules, JEM-EUSO permet de mesurer l'énergie, la direction d'arrivée et la nature de la particule primaire formant le rayon cosmique incident. Le télescope spatial se déplace avec la Station spatiale internationale sur une orbite qui lui fait survoler la Terre entre les latitudes -51° et °51° ce qui rend plus difficile l'interprétation des données recueillies que lorsque les observations sont faites depuis le sol: en effet l'arrière-plan des traces est variable (océans, zones terrestres, régions sombres, régions lumineuses) ainsi que les conditions atmosphériques. Pour prendre en compte ces phénomènes, l'instrument est couplé avec une caméra infrarouge et un lidar[3],
Objectifs
[modifier|modifier le code]Les principaux objectifs scientifiques sont les suivants[4]:
- Identification des sources des rayons cosmiques à très haute énergie à partir de l'analyse statistique des directions d'arrivée de ces particules
- Mesure de la courbe spectrale, des flux et de l'énergie des particules associées aux sources
- Mesure statistique du spectre des particules dont l'énergie se situe à lalimite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin.Pour y parvenir l'instrument est optimisé pour étudier les particules dont l'énergie est supérieure à 5 x 1019eV.
La mission tentera également de[4];
- Découvrir les neutrinos à très haute énergie
- Découvrir les rayons gamma à très haute énergie
- Étudier de manière statistiques les champs magnétiques galactique et extra galactique.
Caractéristiques techniques
[modifier|modifier le code]L'instrumentJEM-EUSOest constitué d'une partie optique, d'un détecteur et de capteurs destinés à analyser le contexte (atmosphère, arrière-plan au sol). L'ensemble pèse 1 938kget consomme environ 1 000 watts lorsqu'il fonctionne de manière active[5]:
- La partie optique est un télescope doté d'un champ optique de grand angle (30°) permettant d'observer une vaste surface (environ 1,3 105km²). Elle est constituée de troislentilles de Fresnelde 2,65 mètres de diamètre qui permettent d'obtenir le champ optique grand angle avec une résolution angulaire de 0,075°. La surface focale (superficie 4,5m2) est de forme sphérique (rayon de courbure de 2,5 mètres) et d'un diamètre de 2,3 mètres. Les lentilles sont réalisées enpolyméthacrylate de méthyle.
- Le détecteur est constitué de 5000 tubesphotomultiplicateursde type MAPMT (multi-anode photo-multiplier) à 64 bits qui comptent les photons individuellement avec uneefficacité quantiqued'environ 40%.
Déroulement de la mission
[modifier|modifier le code]L'instrumentJEM-EUSOdoit être lancé vers 2020 par une fusée japonaiseH2-Ben tant que charge utile externe d'uncargo spatialHTV.Une fois le vaisseau amarré à la Station spatiale internationale, l'instrument qui a été transporté dans une configuration de stockage doit être amarré sur un des points de fixation de la palette EF du module japonaisKibō.Cette opération est réalisée par un membre d'équipage de la station spatiale à l'aide du bras robotiséCanadarm 2.L'instrument doit fonctionner d'abord trois ans en étant pointé vers le nadir (la Terre) pour permettre la détection de particules ayant une énergie moindre. Cette phase permet de recouper les mesures effectuées avec celles des observatoires terrestres. Dans une phase ultérieure l'instrument est incliné de 35° pour couvrir une surface plus importante et ainsi permettre la détection d'un nombre de particules à haute énergie statistiquement significatif[6].
Références et notes
[modifier|modifier le code]- Takahashi 2009,p.2
- (en)Piergiorgio Picozza, «JEM-EUSO ProgramCosmic Rays at Extreme Energies»,,p.64-108
- Santangelo 2013,p.1-2
- Santangelo 2013,p.2-3
- Santangelo 2013,p.4-5
- Santangelo 2013,p.3-4
Bibliographie
[modifier|modifier le code]- (en)YoshiyukiTakahashiet al.,«The JEM-EUSO mission»,New Journal of Physics,vol.11,,p.21(DOI10.1088/1367-2630/11/6/065009,lire en ligne)
- (en)M.D. RodríguezFríaset al.,«The Atmospheric Monitoring System of the JEM-EUSO space mission»,EPJ Web of Conferences,vol.89,no02007,,p.6(DOI10.1051/epjconf/20158902007,lire en ligne)
- (en)A.Santangeloet al.,«The JEM-EUSO mission: Context and status»,EPJ Web of Conferences,vol.53,no09001,,p.6(DOI10.1051/epjconf/20135309001,lire en ligne)
- (en)M.Bertainaet al.,«Performances of JEM-EUSO»,EPJ Web of Conferences,vol.53,no09002,,p.7(DOI10.1051/epjconf/20135309002,lire en ligne)
- (en)KumikoKotera,Angela VOlintoet al.,«The Astrophysics of Ultrahigh Energy Cosmic Rays»,Annual Review of Astronomy and Astrophysics,vol.49,nos119-153,,p.44(DOI10.1146/annurev-astro-081710-102620,lire en ligne)
