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Jean-Pierre Lees, 01/12/2017, Tycho Brahé
Astronomiesurl’iledeLaPalma:destélescopesoptiquesauxrayonsgammacosmiques
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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
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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
24
• 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
29
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)
30
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
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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
34
AGN
Nom
brede
cou
ps
Fondrésiduel(protons,électrons)
Signaldel’AGNPKS2155 GalaxienaineduSagittaire:
absencedesignal…ousignaltropfaiblepourêtrevu
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Quelques résultats choisis
35
Cartographiedessourcesgalactiques
Étudedesourcesétendues(iciunesupernovæencoquille)
etdesSourcesextragalactiques
• Plusde90sourcesauTeVdécouvertesdepuislesdébutsdeHess• Restesdesupernovae,pulsarsetnoyauxactifsdegalaxiesétabliscommesourced’accélérationdesrayonscosmiques
• Étudesdétailléespourcomprendrelesmécanismesd’accélérationetlanaturedessources(morphologie,spectresenénergie,variabilité,…
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CartographiedessourcesauTeV
36
TeVCat,janvier2017:181sourcesrépertoriéesdont~2/3découvertesparHESS
StarburstGalaxy
AGN=activeGalaxyNuclei BinarysystemsSNR=SuperNovaeRemnant
PWN=PulsarWindNebulaunidentified
StellarClusters
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PULSARDEVELA(HESS2)
37
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
38
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Performancesviséesparctaetmotivationsscientifiques
39
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AUGMENTERLASURFACEDEDETECTIONetlarésolutionangulaire…
40
IlluminationausolR~150m
S=zoneoptimalepourlareconstructionstéreoscopiqueetledéclenchement
RéseaudeN×Ntélescopes(N≥2)SurfaceeffectiveSα(N-1)2
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TITRE
41
LASOLUTIONIDÉALE… Coût:~4000M€
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Lasolutionréaliste:CTA
42
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)
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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
44
~1mCrab
Energyrange:20GeV–300TeV
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CalendrierduProjet
45
20122007 2017 20242019
LST1 MST1
2022
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Choix des sites de CTA (2015-2016)
46
SiteNord:LaPalma(Canaries)
SiteSud:Paranal(Chili)
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Sitesud
47
European Extremely Large Telescope
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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
49
Archecomposéede2x3sections(12mchacune)310mmdediamètre(14-17mmdefibredecarbone)
Productionindustrielleetcontrôledespremiers3élémentsdel’archehaubanéeduLST1,installationprévueavril2018
Cadredecamera=carréde3140×3140mm,SandwichFibredeCarbone&Mousse
ImageCAOducadredecamera
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Systèmededrive (pilotagedutélescope)
50
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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J.P.Lees,TychoBrahé,1erdécembre2017
FONDATIONSDULST1,01/12/2016
51
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ConstructionduLST1,03/12/2017
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VuegénéraledusitedeCTA,03/12/2017
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ConstructionduLST1,08/12/2017
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ConstructionduLST1,08/12/2017
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J.P.Lees,TychoBrahé,1erdécembre2017 56
ConstructionduLST1,08/12/2017
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ConstructionduLST1,08/12/2017
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Jean-Pierre Lees
Vuedusiteen2023?
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THE END