De nouveaux yeux pour l’expérience H.E.S.S.
Les caméras des quatre premiers télescopes de l’observatoire H.E.S.S. (High energy stereoscopic system) en Namibie ont vu leurs collecteurs de lumière gagner en efficacité et leur électronique de lecture rajeunir de plus de 15 ans afin de rejoindre les performances du cinquième télescope, beaucoup plus grand, installé en 2012. Cette mise à niveau va permettre aux cinq télescopes de travailler de concert et d’optimiser l’identification des photons de haute énergie du cosmos. La mise en service de ces caméras aux performances et à la fiabilité améliorées, utilisant une technologie similaire à celle du futur Cherenkov Telescope Array (CTA), laisse présager de nouveaux résultats scientifiques pour H.E.S.S.
Les quatre caméras installées fin 2003 en Namibie ont été à l’origine de nombreuses découvertes en astrophysique des hautes énergies. Cependant, ces quatre caméras, basées sur une technologie déjà ancienne développée dans les années 1990, devenaient difficiles à maintenir et présentaient un temps mort élevé (quelques centaines de µs) qui perturbait le fonctionnement en réseau avec la caméra du grand télescope installé en 2012, équipé lui d’une électronique plus récente à faible temps mort (dizaine de µs). Le temps mort correspond au temps de traitement d’un évènement durant lequel il est impossible d’enregistrer un nouvel évènement. Pour faire fonctionner de façon optimale les 5 télescopes en réseau, il est indispensable que leur temps mort soit du même ordre de grandeur, à défaut le temps mort global sera défini par l’élément le moins performant.
Les nouvelles caméras, sous la responsabilité du groupe de DESY-Zeuthen en Allemagne en collaboration avec des ingénieurs et physiciens du Laboratoire de physique nucléaire et des hautes énergies (LPNHE, CNRS/Université Pierre et Marie Curie/Université Paris Diderot), du Laboratoire Leprince-Ringuet (LLR, CNRS/École polytechnique), du CEA/Irfu et de Leicester (Grande-Bretagne), utilisent une puce électronique, NECTAr, spécialement développée par l’Irfu pour le futur observatoire de rayons gamma de très haute énergie, CTA. Cette puce qui réalise la capture et la numérisation des signaux ultrarapides issus des photodétecteurs, permet de réduire considérablement ce temps mort.
Outre le remplacement nécessaire de l’électronique des caméras des quatre premiers télescopes de H.E.S.S. par une nouvelle électronique utilisant la puce NECTAr, une amélioration importante a concerné l’efficacité des collecteurs de lumière des caméras. En effet, les télescopes de l’observatoire H.E.S.S. utilisent des collecteurs de lumière ou « cône de Winston ». Ces collecteurs sont utilisés pour concentrer la lumière d'une grande surface sur un plus petit photomultiplicateur et doivent notamment permettre de réduire le bruit dû à la lumière parasite réfléchie par le sol autour du télescope. Le LLR a ainsi assuré le remplacement de tous les collecteurs de lumière placés devant les photomultiplicateurs des quatre caméras et bientôt de celle du cinquième grand téléscope.
Les nouveaux collecteurs utilisent un revêtement plus réfléchissant, développé pour CTA, et permettent ainsi que près de 30 % de lumière supplémentaire soit collectée dès le départ. Ces collecteurs de lumière de nouvelle génération ont été réalisés par une PME de 120 personnes située à Grasse, SAVIMEX, avec laquelle H.E.S.S. entretient une longue et fructueuse collaboration. Cette entreprise est spécialisée dans la fabrication de composants optiques polymères. Elle est positionnée sur trois secteurs d'activités?: la protection de la face, les composants pour applications industrielles et l'usinage d'ultra précisions. L'habitude de gérer des productions importantes a permis à SAVIMEX de réaliser cette fabrication de 6500 collecteurs en quelques mois, le moulage par injection ULTEM 1000 et la métallisation traitement Alu MgF2.
La rénovation des caméras sur le site de H.E.S.S. en Namibie s’est achevée en septembre 2016 et les télescopes sont prêts pour les observations depuis décembre 2016. Le 4 janvier 2017, les premiers signaux d’un accélérateur de particules cosmiques ont été détectés. Les nouvelles caméras ont effet enregistrés des signaux du noyau actif de galaxie, Markarian 421, situé à 400 millions d’années-lumière, dans la constellation de la Grande Ourse. L’enregistrement simultané des images des particules incidentes par les 4 télescopes rénovés s’est déroulé sans heurts et la source gamma a finalement été détectée, démontrant ainsi un fonctionnement correct des nouvelles caméras en mode stéréoscopique. Après quatre ans de développement, de test, de production et de déploiement, cette rénovation est la dernière phase du programme d’amélioration de H.E.S.S. Ce succès est un test important pour l’observatoire gamma-rayon de la prochaine génération, CTA, qui utilisera une technologie de caméra similaire.
Conçu comme un observatoire de nouvelle génération, CTA permettra d’augmenter la sensibilité d’un ordre de grandeur par rapport aux télescopes actuels, d’améliorer la résolution angulaire d’un facteur 5 et d’étendre la gamme en énergie d’environ 20 GeV jusqu’à plusieurs centaines de TeV. Il sera composé d’environ 120 télescopes équipés de réflecteurs multi-miroirs de tailles différentes (23 m, 12 m et 4 m), répartis sur deux sites d’observation. Le site dans l’hémisphère sud sera situé près de Paranal (ESO) au Chili. Il comprendra environ 100 télescopes et donnera essentiellement accès aux sources de notre Galaxie. Le site dans l’hémisphère nord, qui ne contiendra que des télescopes de 23 m et 12 m, sera situé dans l’île de La Palma aux Canaries ; il sera dédié à l’étude des objets extragalactiques. Au-delà de la variété d’objets observés, CTA permettra aussi d’étudier des phénomènes de physique fondamentale tels que la violation de l’invariance de Lorentz, ou l’étude indirecte de la matière noire.
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