« Executive Summary »

Groupe de travail :
« Physique et astrophysique des sources énergétiques: des photons aux particules »

La très grande richesse et la variété des phénomènes violents observés dans l'Univers ont montré que l'étude de ces phénomènes ne pouvait pas se limiter à un seul type d'observation. La compréhension des mécanismes sous-jacents implique de "sonder" ces phénomènes à travers tous les "messagers" qu'ils sont susceptibles d'émettre : gamma ( rayons X aux photons d'une gamma en énergie variant du GeV au TeV), particules chargées et neutrinos. Cette constatation a permis à ces observations "multi-messagers" de connaître un remarquable essor lors de ces dernières années.
Ces messagers pourront nous renseigner sur le fonctionnement des accélérateurs cosmiques d'énergies extrêmes tels que les noyaux actifs de galaxies (AGN) souvent associés à des trous noirs massifs, les sursauts gamma ou les étoiles à neutrons. Parallèlement à ces études de type "astronomie", ces particules et rayonnements de haute énergie pourraient également indiquer l'existence de particules encore inconnues qui pourraient être responsables de la matière noire de l'univers ou témoigner de ses premiers instants. Ils peuvent  peut-être aussi  nous renseigner sur  l'antisymétrie matière antimatière.  Dans ce domaine il existe donc un potentiel important de découvertes et peut être une nouvelle physique à l’épreuve de conditions bien plus extrêmes que celles que l’on ne pourra jamais produire dans les laboratoires terrestres.
La variété de ces messagers implique des propriétés fort différentes quant à leur mode de production et à leur propagation. Les particules chargées sont accélérées dans les objets astrophysiques. Ces particules chargées sont soumises à l’effet de champs magnétiques et leur capacité de pointer les sources est réduite à basse énergie. De ce fait, elles peuvent donner des contraintes importantes sur l’intensité du champ magnétique galactique et extra-galactique encore mal connu aujourd’hui. Le rayonnement gamma et les neutrinos sont produits dans les réactions de ces particules avec la matière environnante et constituent une contre partie importante de l’observation. La propagation des rayons gamma ne peut être affectée que par le fond micro-onde et infra-rouge. Les neutrinos peuvent se propager sans perturbation dans l’univers mais à cause de cette probabilité faible d’interaction, les neutrinos sont aussi les particules les plus difficiles à détecter. Ainsi, les rayons gamma et bientôt les neutrinos sont des observables privilégiées pour l'étude des sources. 
Pour comprendre ces sources de haute énergie il est important de poursuivre en parallèle et d'une manière corrélée les observations des particules chargées, des rayons gamma sur un vaste domaine spectral et des neutrinos et éventuellement la détection des ondes gravitationnelles.  La distribution des sources potentielles est différente dans les deux hémisphères. Le centre galactique est visible dans l'hémisphère sud. On peut observer également une plus grande partie du halo galactique dans le sud. En contrepartie, il y a localement plus d'AGN dans l'hémisphère nord. Il est donc important d'assurer une couverture globale du ciel.    

Les rayons gamma
Le présent : L’observation des rayons gamma se fait soit par des télescopes au sol soit par des détecteurs embarqués. 
Les 4 télescopes Cherenkov de HESS, en Namibie, prennent des données depuis fin 2003. La prospective porte d'une part sur une extension vers les basses énergies pour assurer un recouvrement avec les missions spatiales et d'autre part une augmentation des surfaces efficaces de détection (de l'ordre de plusieurs hectares) que permettent les télescopes Tcherenkov. 
Concernant les missions spatiales en cours, INTEGRAL a pour objectif principal l'exploration approfondie des sites célestes émissifs dans la bande spectrale de 15 keV à 10 MeV. Cette mission a déjà donné des résultats marquants sur l'émission des gamma du centre de notre galaxie.  Cette mission sera décrite plus en détail dans la partie Astrophysique Nucléaire.
Les projets futurs : Dans un futur à court terme, le projet de télescope HESS2 pourrait assurer une meilleure couverture spectrale avec les missions spatiales (GLAST,AMS). A plus long terme un site en haute altitude pourrait alors être envisagé pour maximiser la quantité de lumière reçue. D'autre part, l'extension ultérieure des installations en cours de construction est une option intéressante permettant de réaliser un relevé systématique dans certaines régions du ciel. Une demande de « Design study » au niveau européen est envisagée. Le télescope MAGIC, situé dans l’hémisphère nord (pas de participation française) complète les observations par HESS.
L’autre grande mission devant entrer en service dans la décennie en cours est la mission internationale GLAST, dont le lancement doit intervenir en 2007. GLAST se propose d’observer le ciel gamma de haute énergie (10 MeV – 300 GeV). Prévue pour durer au moins cinq ans, la mission GLAST sera en mesure de détecter et de localiser avec précision des milliers de sources gamma galactiques (pulsars, restes de supernova, plérions) et extragalactiques (quasars, galaxies voisines, amas) ainsi que l’émission du milieu interstellaire.
La mission ECLAIRs, qui pourrait être lancée en 2008, sera en mesure de pratiquer une étude multi longueurs d’onde de l’émission prompte d’une centaine de sursauts gamma par an.  L’autre voie qui s’ouvre est celle des satellites en formation. SIMBOL-X, une mission qui, en s’appuyant sur deux satellites en formation, affiche une sensibilité et une résolution angulaire améliorées de plus de deux ordres de grandeur par rapport à INTEGRAL. SIMBOL-X pourrait entrer en service en 2011.

Les rayons cosmiques de haute et  ultra  haute énergies
Le présent : Le site sud de l’Observatoire Pierre Auger  (OPA) a commencé la prise de données au début de cette année. Il observera des rayons cosmiques d’énergie d’extrême, au-delà de 1019 eV. L’existence de la coupure du spectre des rayons cosmiques à très haute énergie due à des réactions avec le fond micro-ondes (la coupure GZK) est une question controversée qui peut révéler une déviation des lois de Physique connues actuellement. L’observatoire Pierre Auger pourra détecter aussi des neutrinos de haute énergie grâce à des gerbes horizontales issues des neutrinos traversant soit l’atmosphère soit la terre.  Actuellement, l’Observatoire Pierre Auger est la seule expérience des rayons cosmiques de très haute énergie ayant une acceptance  nécessaire pour mesurer le spectre énergétique avec une statistique suffisante. De plus, l'utilisation des deux techniques expérimentales, réseau de surface et télescopes à fluorescence, permettra d’évaluer les erreurs systématiques et d’avoir des données fiables.  La construction du site sud devrait être finie vers la fin de 2005. 
Les projet futurs : 
Le site nord de l’OPA est à l'étude aux USA et actuellement deux sites, dans le Colorado et en Utah, sont considérés. Un développement intéressant est engagé pour la détection des gerbes atmosphérique par des ondes radio. 
L’expérience AMS doit être installée sur la Station Spatiale Internationale (ISS) en 2007. Elle  permettra de mesurer avec une précision jamais atteinte la composition et le spectre des rayons cosmiques (e-,e+,p ,anti-p et noyaux légers identifiés en masse jusqu’à des A<13 et en charge jusqu’à des Z<30) dans la gamme d'énergie allant du GeV à quelques TeV. Ces mesures sont importantes en elle mêmes et utiles, en particulier pour mieux modéliser la propagation des rayons cosmiques. AMS effectuera également des recherches : d'antimatière primordiale, avec une sensibilité améliorée par trois ordres de grandeur; de nouvelles formes de matière comme les strangelets et de matière noire recherchée dans ses produits d'annihilation simultanément avec plusieurs types de particules (anti-p, anti-D,  e- e+, gamma). 
Le projet spatiale EUSO a terminé sa phase A qui a été jugée satisfaisante au niveau des ambitions de la physique et au niveau technique. Des objections ont été soulevées concernant le transport vers l'ISS, l'attente des données issues de l'OPA et le financement par la direction de la Science de L'ESA. Des solutions de transport sont à l'étude via l'utilisation de l'HTV (transporteur japonais) et une plus grande participation financière de la direction des vols habités (D/MSM) de l'ESA est proposée. A plus long terme une proposition d'un détecteur encore plus efficace que EUSO à été déposée dans le cadre du programme Cosmic Vision de l'ESA (2015-2025). 
Les neutrinos
Le présent : En raison de la très faible section efficace des neutrinos, un détecteur efficace devrait avoir une masse sensible de l'ordre de 109 tonnes (1 km3 d'eau), d'où la nécessité d'utiliser un milieu naturel, eau de mer ou glace polaire. La collaboration ANTARES construit actuellement, au large des côtes méditerranéennes françaises, un détecteur de neutrinos d’une surface de 0.1 km2 pour des neutrinos de quelques centaines de TeV. Ce projet européen, initié et coordonné par les équipes françaises, sera achevé fin 2006. Il possède un potentiel de découverte appréciable pour les premières observations des sources cosmiques des neutrinos énergétiques (microquasars, AGNs etc.).  Enfin  les neutrinos peuvent aussi donner une indication sur les particules supersymétriques qui pourraient être à l'origine de la matière noire de l'univers. 
Les projets futurs : Pour explorer plus loin l'univers en neutrino, un détecteur plus grand sera nécessaire. Le financement d'un 'design study' pour un tel détecteur (KM3NeT) a été récemment approuvé par le programme européen FP6. Cette étude durera trois ans et vise une résolution angulaire de ~0.1 avec un volume instrumenté d'au moins 1km3 dans la Mer Méditerranée. Comme ANTARES, ce détecteur regardera l'hémisphère sud et donc va voir le centre galactique. Avec l'expérience ICECUBE, en construction au pole sud, ils donneront ensemble une couverture complète du ciel en neutrinos de hautes énergies vers 2011.

 

Conclusions
Ce programme de recherche se situe au cœur de la Physique des Astroparticules. La France a une contribution importante, à la fois dans la R&D, la construction des instruments et l’analyse et l’interprétation des données. Dans ce domaine il est clairement important d’avancer en utilisant plusieurs observables, la technique multi-messagers, et assurer à la fois le développement et l’exploitation des expériences au sol et dans l’espace. Dans l’avenir un effort significatif doit sans doute être fait pour développer les méthodes de corrélations de ces différentes observations. Il faut également noter que, pour la plupart de ces expériences, il y aura obligation de rendre publique, dans des délais courts, les données ainsi que des logiciels d'exploitation : ceci représente un effort important que la communauté doit évaluer avec réalisme.
Plusieurs des expériences futures impliquent des R&D importants.  L'utilisation du milieu naturel pour la détection (l’atmosphère, l’eau de mer) nécessite aussi la création de collaborations avec les spécialistes d’autres domaines.  Il faut souligner également l’importance des physiciens théoriciens pour l’interprétation des données ainsi que pour la recherche de nouvelles observables. 
La communauté scientifique dans ce domaine est environ 100 chercheurs permanents. En vue de l’arrivée prochaine des données de plusieurs expériences, il faut assurer le recrutement régulier des jeunes chercheurs. 
Les expériences apparaissent bien échelonnées en fonction du temps et ne présentent pas de recouvrements indésirables. La question qui pourrait se poser est celle des moyens, financiers et humains, disponibles pour les projets à venir et les choix qui seraient, éventuellement, nécessaire de faire.