Jean-Pierre Lees, 01/12/2017, Tycho Brahé

Astronomiesurl’iledeLaPalma:destélescopesoptiquesauxrayonsgammacosmiques

J.P.Lees,TychoBrahé,1erdécembre2017

Présentation générale du site

Télescopes Optiques

2

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Situation géographique28° 6′ N, 15° 24′ W

(5° au dessus du Tropique du Cancer)

3

ExSaharaEspagnol

LaPalma

100km

MAROC

Lanzarote

Fuerteventura

GranCanaria

Tenerife

LaGomera

ElHierro

150km230km

IlesCanaries

AlizésdeNE

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Tenerife

4

3715m:Ptculminantdel’Espagne!

Iledescanarieslapluspeupléeavec900000habitants

InstitutodeAstrofísicadeCanarias(IAC)@LaLaguna:Ilgèrel’observatoireduTeideàTenerife(2390m,fondéen1964)etl’observatoireduRoquedelosMuchachos(ORM)àLaPalma(2396m,fondéen1984)

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La Palma

5

2396m(Ptculminantdel’ile)

aéroport

Observatoire

36km2400mdedénivelé~500virages1hderoute

N

S

Madrid–LaPalma:2156km,soit3hdevol

«Ilelaplusverticaledumonde»• 708km2

• 86000habitantsdont18000àSantaCruzet20000àLosLlanos

• Uneilejeune:4millionsd’années

• VolcanismeactifdanslaCumbreVieja(ausud)

➢ 1646 Volcán San Martin ➢ 1677 Volcán San Antonio ➢ 1712 El Charco ➢ 1949 Volcán Nambroque ➢ 1971 Volcán Teneguía

BarrancodelasAugustias

CalderadeTaburiente

CumbreNueva

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Des paysages contrastés!

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Des conditions propices à l’astronomie

La brise des alizés provoque une formation de nuage entre mille et deux mille mètresd'altitude (surtout sur la côte Est/Nord-Est) , mais l'inversion thermique qu'ils génèrentempêche la formation de nuages au dessus de 2000m. Ces facteurs naturels font que lesnuagescréentunmiroirnaturelprotégeantlesitedelapollutionlumineusedesvillescôtières.Les cieux des Îles Canaries sont les plus nets et les plus clairs d'Europe. De plus, ils sontprotégésparlaLoisurlaProtectiondelaQualitéAstronomiquedesObservatoiresquicontrôlela pollution lumineuse, radioélectrique et atmosphérique et qui régule les couloirs aérienspourqueriennegênel'observationdesastres.

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Une ile protégée

«StarlightReserve»• Ileprotégéedelapollutionlumineuse• Nombreuxpointsd’observationaménagéspour

lesastronomesamateurs«anyonecanenjoythenightskyinLaPalmaevenintownsandcitiesbyjustlookingup»

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Tourisme astronomique à La Palma

• Tourscléenmainoulocationdematériel(monture,télescope,…)

• Visitesdel’observatoirehttp://astrolapalma.com/

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L’observatoire du Roque de los Muchachos (« Le rocher des garçons »)

10.4mGTC(Espagne)

3.4mTNG(Italie)

IsaacNewtonGroupofTelescopes(ING):➢ 4.2mWilliamHerschelTelescope,➢ 2.5mIsaacNewtonTelescope➢ 1mJacobusKapteynTelescope.2mLiverpoolTelescope Solartelescopes

(SuèdeetHollande)

2.5mNordicOpticalTelescope(NOT)

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L’observatoire du Roque de los Muchachos (« Le rocher des garçons »)

IsaacNewtonGroupofTelescopes(ING):➢ the4.2mWilliamHerschelTelescope,➢ the2.5mIsaacNewtonTelescope➢ the1mJacobusKapteynTelescope.The2.5mNordicOpticalTelescope(NOT).The1mSwedish1-mSolarTelescope(SST)operatedbytheInstituteforSolarPhysics.The0.45mDutchOpenTelescope(DOT).A0.6mopticaltelescope.TheCarlsbergMeridianTelescope(CMT).The1.2m(3ft11in)MercatorTelescope(semi-robotic,U.Louvain)The2mLiverpoolTelescope.The10.4mGranTelescopioCanarias(GreatCanaryTelescope,dedicated24July2009).The3.6mTelescopioNazionaleGalileo(TNG).The17mMAGICTelescope,anairshowerCherenkovtelescopeforobservinghighenergygammaraysTheSuperWASP-Northtelescope,usedtodetectextrasolarplanets.• AndsoonCerenkovTelescopeArray(CTA,northsite)…..

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L’observatoire du Roque de los Muchachos (« Le rocher des garçons »)

WilliamHerschelTelescope(WHT,4.20m)GranTelescopio

Canarias(GTC,10.40m)

NordicOpticalTelescope(NOT,2.50m).

Swedish1-mSolarTelescope(SST)

DutchOpenTelescope(DOT,0.45m)

NordicOpticalTelescope(NOT,2.50m).

GranTelescopioCanarias(GTC,10.40m)

3.6mTelescopioNazionaleGalileo(TNG).

4.2mWilliamHerschelTelescope

2mLiverpoolTelescope

2.5mIsaacNewtonTelescope

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Sur les bords de la caldeira du Taburiente

Vendredi3novembre2017vers17h

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ZOOM sur… le GTC

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LeGTCenchiffres• Undesplusgrandstélescopesdu

monde(∅10.4m)enattendantl’EELTauChili(∅ ≈20m)

• Poidstotal(mobile)=400T• Miroirsegmenté:36miroirsminces

(e=8cm)hexagonauxde450kg(Safran),polisavecuneprécisionde15nm,etréaluminiséstouslesdeuxans.Poidstotal17Tetsurfaceeffective73m2

• Optiqueactive:actionneurssouschaquemiroirpourmaintenirlemiroirdansuneformeoptimale.

• MiroirsecondaireallégéenBéryllium(Safran)

• Focaleeffective=169.9m• Champ:de15arcmin(Cassegrain)et

20arcmin(Nasmyth)• Echelledel’image:0,82mm/"

Premièrelumière:14/07/2007

Plusd’informationssurhttp://www.gtc.iac.es/3foyers:Cassegrain+deuxfoyersNasmyth

typeRitchey-Chrétien(2miroirshyperboliques)

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ZOOM sur… le GTC

Nasmyth–Cassegrain

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Taille des plus grands télescopes du monde

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Enprojet

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W.Herschel Telescope ou WHT (4.2m, 1987)

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Monturealt-azimuthale,poids(mobile)200TFocaleauxfoyersNasmithetCassegrain:46.2m(f/11)Possibilitédemonterdesinstrumentsaufoyerdumiroirprimaire(f/2.8,soitf≈12m)UndestélescopesutiliséspourlesuiviphotométriquedesSN1a(Perlmutteretal)danslesannées1990/2000

MiroirsecondaireHyperboloide(1m)

Miroirtertiaire

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Telescopio Nazionale GALILEO ou TNG(3.6m, 1996)

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∅ miroirprimaire3.58m–optiqueactive(78actionneurs).∅ Miroirsecondaire0.875mFocale38.5m(f/11),champexemptdevignetage25’4instrumentsinstallésdefaçonpermanenteaux2foyersNasmith(visibleetprocheinfrarouge)Résolutionauplanfocal5.36arcsec/mm

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Nordic Optical Telescope ou NOT (2.56m, 1988)

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I.Newton group et Liverpool telescope

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2mLiverpoolTelescope4.2mWHT

2.56mIsaacNewtonTelescope

1mJacobusKapteynTelescope

1.2mMercatorTelescope

TélescopeIsaacNewton:LeplusgrandtélescopeanglaisdesonépoqueInitialementauchâteaud’Herstmonceux(Sussex)de1967à1979TransportéàLaPalmaen1979et remisàneuf–premièrelumièreen1984etpremiergrandtélescopesurlesitedeLaPalma

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L’ Astronomie gamma: introduction

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Rappel: le spectre électromagnétique

Energiesdesphotonsdurayonnementélectromagnétique:visible:photonsdequelquesevUV:10à100evX:100evà100keVGamma(γ):au-delàde100keV.

ev=electronvolt.Energieacquiseparunélectronaccélérésousuneddpde1Volt

E=mc2:unprotonaunemasseéquivalenteà1GeV

Onparleraicideγde10GeV(109ev)à1000TeV(1000×1012ev)

E=hν

ν = c/λ

Annihilation

Matière noire?

Etat

final

e-, p+, .., Fe

γ

ν

Principales sources des rayons cosmiques au

delà du GeV

Nebuleuses de pulsar

Restes de Supernovae

Noyaux actifs de galaxies (AGN)

Difficilesàdétecter(interagissentpeu)

Déviésparleschampsmagnétiquesgalactiquesetintergalactiques

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 physique

FacilesàdétecterGardentlamémoiredeleurdirectioninitiale

Pourquoi détecter les rayons γ

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Remarque: origine du rayonnement γ

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• Protonsouhadronsdehauteénergie➢p+noyau→Xπ0→Xγγ

• Electronsdehauteénergie➢ Pertessynchrotron➢ Bremsstrahlung➢ DiffusionInverse-Compton

• Annihilationdematièrenoire(hypothétique)➢χχ→Xγ

Seulesdesparticulesélectriquementchargéespeuventêtreaccélérées

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Problème: la transparence de l’atmosphère

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1particule/m2/s

1particule/m2/jour

1particule/m2/an

Satellites

Détecteurs au sol

Lesflux(Nparticules/surface/temps)décroissenten1/Enavecnentre2et3

Àhauteénergieilfautdetrèsgrandessurfaces⇒ détecteursausol

Pourquoi des détecteurs au sol?

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Principe de détection

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Émissioncerenkovsivitesseparticulessecondaires>vitessedelalumièredansl’airv>c/n• nindiceoptiquedel’air• cvitessedelalumièredans

levide

DétectiondelalumièreCerenkovémiseparlescascadesatmosphériques(p,e,γ,…)Pourlesgerbesdeγoud’électronslacascadenecontientquedese+/e-etestplusconcentrée

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DÉTECTION AU SOL DU RAYONNEMENT γ

Crédit:CherenkovTelescopeArrayObservatory

10km

150m

γray

Electromagneticcascade

CherenkovlightΔt≈5ns

pbackgroundGerbedeproton

Imaged’unegerbedeproton

FastCamera

showerimage(10ns)

IC443

stereoscopy

orientationdel’image⇒directionIntensitélumineuse⇒energieForme⇒discriminationentregammaetprotonsStereoscopie⇒résolutionangulairemeilleure

imaged’unµ

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30 ans d’astronomie γ en France: HIER

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ASGAT(1988,E>600GeV),THEMISTOCLE(1988,E>2TeV)etCELESTE(1996,E>60GeV)

Echantillonnagespatio-temporeldescascadesatmosphériquesàl'aidedeplusieursstations

CAT(1994,E>250GeV)

Expériencesàl’anciennecentralesolaireTHEMIS(1988–2004)

Imageriedelagerbeavecunecaméraconstituéed'ungrandnombredepixels(600)etéquipéed’uneélectroniqueultra-rapide

• FluxetspectreenénergiedelanébuleuseduCrabe• Découvertede4sourcesγextragalactiques(Blazars)Mkn421,Mkn501,…

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AUJOURD’HUI: HESS (Mont Khomas, Namibia)

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D=28m

f=36m

D=12m

HESS1(2004):4télescopes

f=15m

+CT5(2012)=HESS2

Miroir107m2

Champdevue5°E>200GeVCaméra960px,900kgs

Miroir614m2

Champdevue3.5°E>20GeVCaméra2048px,~3300kgs

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Et MAGIC sur le site des Canaries

313/11/201718h19

J.P.Lees,TychoBrahé,1erdécembre2017

Et MAGIC sur le site des Canaries

323/11/201718h19

∅ 17mS=236m2

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Nom

brede

cou

psSIGNAL DE LA NÉBULEUSE DU CRABE

(SOURCE TRES BRILLANTE)

Écart/positionthéorique

Résolutionangulairetypique3à4arcmin(0.06°)(fonctiondel’énergie)contre1arcsecpourungrandtélescopeoptique

Fondrésiduel(protons,électrons)

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Signal de sources plus faibles

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AGN

Nom

brede

cou

ps

Fondrésiduel(protons,électrons)

Signaldel’AGNPKS2155 GalaxienaineduSagittaire:

absencedesignal…ousignaltropfaiblepourêtrevu

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Quelques résultats choisis

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Cartographiedessourcesgalactiques

Étudedesourcesétendues(iciunesupernovæencoquille)

etdesSourcesextragalactiques

• Plusde90sourcesauTeVdécouvertesdepuislesdébutsdeHess• Restesdesupernovae,pulsarsetnoyauxactifsdegalaxiesétabliscommesourced’accélérationdesrayonscosmiques

• Étudesdétailléespourcomprendrelesmécanismesd’accélérationetlanaturedessources(morphologie,spectresenénergie,variabilité,…

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CartographiedessourcesauTeV

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TeVCat,janvier2017:181sourcesrépertoriéesdont~2/3découvertesparHESS

StarburstGalaxy

AGN=activeGalaxyNuclei BinarysystemsSNR=SuperNovaeRemnant

PWN=PulsarWindNebulaunidentified

StellarClusters

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PULSARDEVELA(HESS2)

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SecondVHEpulsar

~16000γ(P2)>15σ

StatistiquebeaucoupplusimportantequelesatelliteFermi-LAT,maisfondégalementplusimportant

Fluxaudessusde20GeVenaccordaveclesmesuresdeFermi-LAT

89ms

fond

pulsar

Surunfondde750000

Temps(périodede89ms)

(satellite)

Coup

s/unitédetemps

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Astronomie gammasur le site de La Palma:

construction de CTA

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Performancesviséesparctaetmotivationsscientifiques

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AUGMENTERLASURFACEDEDETECTIONetlarésolutionangulaire…

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IlluminationausolR~150m

S=zoneoptimalepourlareconstructionstéreoscopiqueetledéclenchement

RéseaudeN×Ntélescopes(N≥2)SurfaceeffectiveSα(N-1)2

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TITRE

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LASOLUTIONIDÉALE… Coût:~4000M€

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Lasolutionréaliste:CTA

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LST (!23m)

MST (!12m)

SST (!4m)

SiteSud SiteNord • 2 sites (couverture complète du ciel)

• 3 classes de télescopes (large couverture spectrale )

• 118 télescopes (8 LST, 40 MST, 70 SST)

Les télescopes de CTA

Large Size Telescope (LST)

Mid Size Telescope (MST)

Small Size Telescope (SST)

• Basses énergies (20 -200 GeV)• Optimisé pour l’observation de

phénomènes transitoires• Structure haute en fibre de carbone

• Moyenne énergie (100 GeV–10 TeV)• Cœur des réseau• Large champ de vue (8°)• Deux types de caméras

• Haute énergie (E >5 TeV)• Caméras SiPM• 3 types de télescopes et 3

modèles de caméra.

!23m

!12m

!4m

~10M€/telescope ~2.5M€/telescope ~0.8M€/telescope

IN2P3

INSU(obsParis)

IRFU

IN2P3,INSU

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SENSIBILITEATTENDUE

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~1mCrab

Energyrange:20GeV–300TeV

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CalendrierduProjet

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20122007 2017 20242019

LST1 MST1

2022

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Choix des sites de CTA (2015-2016)

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SiteNord:LaPalma(Canaries)

SiteSud:Paranal(Chili)

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Sitesud

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European Extremely Large Telescope

La France (LAPP) dans le consortium LST

Drives

Arche haubanée et cadre. M<2.5T

Contrôleur caméra(développement commun avec NectarCAM)

20institutsetenviron150collaborateursAllemagne–Brésil–Croatie–Espagne–FranceInde–Italie–Japon–Suède–Suisse

28m

• M~100T• Repositionnementen20’’• Déplacementcaméramax//axe

optique<12.5mm• Déplacementcamératransverse

<40mm

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Archeetcadredecaméra

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Archecomposéede2x3sections(12mchacune)310mmdediamètre(14-17mmdefibredecarbone)

Productionindustrielleetcontrôledespremiers3élémentsdel’archehaubanéeduLST1,installationprévueavril2018

Cadredecamera=carréde3140×3140mm,SandwichFibredeCarbone&Mousse

ImageCAOducadredecamera

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Systèmededrive (pilotagedutélescope)

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LesLSTssontconçuspourpivoterde180°enazimutet90°enélévationen20”• Motorisationadaptéeaux100tonnesdutélescope(TGV=385tonnes)• Prèsde½MWattsnécessairepartélescope(TGV8.8MWatts)

×4

×2

Deuxmodesdecontrôles• ContrôledeVitesseàgrandevitesse• ContrôledePositiondurantletracking

Lasécuritéestl’élémentcritique• Contrôledusystèmelorsd’unecoupurede

courant• Freinaged’urgence• Gestiondeszonesautorisées

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FONDATIONSDULST1,01/12/2016

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ConstructionduLST1,03/12/2017

J.P.Lees,TychoBrahé,1erdécembre2017 53

VuegénéraledusitedeCTA,03/12/2017

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ConstructionduLST1,08/12/2017

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ConstructionduLST1,08/12/2017

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ConstructionduLST1,08/12/2017

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ConstructionduLST1,08/12/2017

Jean-Pierre Lees

Vuedusiteen2023?

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THE END