JEM-EUSO
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| Pays | Algérie, Allemagne, France, Italie, Japon, Mexique, Pologne, Russie, Slovaquie, Suède, Tchéquie, USA, Corée du Sud, Espagne, Roumanie, Suisse. |
|---|---|
| Agence | CNES, European Space Agency, NASA, Agence spatiale italienne, JAXA... |
| Objectifs | Détection de Rayons cosmiques d'ultra-haute énergie depuis l'espace. |
| Nombre de missions | 6 |
JEM-EUSO, acronyme de Joint Exploratory Missions for Extreme Universe Space Observatory, désigne un ensemble de projets d'observatoires spatiaux de rayons cosmiques à ultra haute énergie (> 5x1019 eV).
Les missions sont réalisées conjointement par 12 pays membres (Algérie, Allemagne, France, Italie, Japon, Mexique, Pologne, Russie, Slovaquie, Suède, Tchéquie, États-Unis) et 4 pays associés (Corée du Sud, Espagne, Roumanie, Suisse)[1].
Objectifs
L'origine des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie et leur nature sont aujourd'hui inconnues. En développant des observatoires performants, la collaboration JEM-EUSO souhaite obtenir une statistique suffisante pour identifier les sources à partir de l'analyse des directions d'arrivée de ces particules. Mais aussi de déterminer le flux de particules émises par ces mêmes sources[2].
Par ailleurs, la physique des particules impose une limite à l'énergie maximale que peuvent avoir les rayons cosmiques : la limite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin (ou GZK). Les missions JEM-EUSO proposent de préciser le spectre des particules proche de cette limite[2].
Plus avant, les missions de la collaboration proposent également d'étudier les neutrinos à très haute énergie, de découvrir des rayons gamma à très haute énergie et d'étudier de manière statistique les champs magnétiques galactiques et extragalactiques, encore mal connus[2].
Histoire
À la fin des années soixante-dix, la NASA lance un appel à projets et idées pour préparer la prochaine décennie dans le secteur de l'astrophysique des hautes énergies. John Linsley propose à cette occasion d'observer les gerbes atmosphériques générées par les rayons cosmiques pénétrant l'atmosphère depuis l'espace. Son projet intitulé SOCRAS (Satellite Observatory of Cosmic Ray Showers) restes malheureusement trop complexe à mettre en place pour l'époque et ne se concrétise pas[3].
SOCRAS est redécouvert en 1995 par Yoshiuki Takahashi. Ce dernier travaille alors sur des systèmes optiques de taille raisonnables, embarquable en vol. Takahashi contacte Linsley pour lui annoncer la faisabilité de son ancien projet. Ce dernier travaille désormais en Italie. Les deux partis s'associent donc et forment le projet Airwatch[4] qui deviendra plus tard EUSO (Extreme Universe Space Observatory). Parallèlement, les États-Unis élaborent la mission OWL (Orbiting Wide-angle Light-collector) à partir des résultats de Takahashi, mais le projet pourtant sélectionné par la NASA en 1996, ne sera pas développé[3].
En 2000, l'ESA sélectionne le projet EUSO et prévoit de l'installer sur le module Collumbus de l'ISS. En 2004, le projet passe avec succès la phase A mais, à la suite de problèmes financiers, il sera finalement déprogrammé. Par ailleurs, le crash de la navette spatiale Columbia jeta de nombreuses incertitudes sur de nombreux programmes spatiaux à la même période[3].
En 2006, les équipes américaines d'OWL et européennes d'EUSO s'associent sous le leaderhip d'Yoshiyuki Takahashi avec pour but d'installer cette fois leur expérience sur le module japonais de l'ISS : JEM. Ils renomment la mission JEM-EUSO pour Extreme Universe Space Observatory onboard Japanese Experiment Module. Le projet commence officiellement à RIKEN en 2006. Sous la supervision de l'agence spatiale japonaise (JAXA), le projet repasse par une phase A où il est significativement amélioré. La collaboration se prépare alors à un lancement pour l'horizon 2016[3].
Après l'accident nucléaire de Fukushima en 2011, la JAXA doit se restructurer et la mission JEM-EUSO doit être déprogrammée au profit d'autres expériences plus en lien avec la situation[3].
Malgré ce revers, des prototypes à échelle réduite destinés à mettre au point l'instrument de la mission JEM-EUSO sont assemblés et testés au sol (EUSO-TA, 2013[5]), puis en vol dans le cadre d'une mission aéroportée (EUSO-BALLOON, 2014[6]) lancée par le CNES. Dans le même temps, l'agence spatiale russe ROSCOSMOS propose d'intégrer JEM-EUSO à son programme KLYPVE (acronyme russe de rayon cosmique d'ultra-haute énergie) sous le nom de mission K-EUSO[7]. Cette fois, la Russie propose d'installer le dispositif développé pour la mission JEM-EUSO dans Nauka, le module Russe de l'ISS. À ce stade, JEM-EUSO ne convient plus pour désigner la collaboration mais par souci de visibilité internationale, le nom désignant les chercheurs, les pays et les organisations impliquées doit rester le même. Pour ce faire, JEM, Japanese Experiment Module devient Joint Exploratory Missions.
Par ailleurs, lors du développement de cette collaboration, la mission TUS[8] (Tracking Ultraviolet Setup) lancée par le programme KLYPVE est ajoutée au programme EUSO en 2018. Cette mission désigne le premier dispositif de détection des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie placé en orbite en 2016 à bord du satellite Mikhaïl Lomonossov.
Grâce aux résultats encourageants d'EUSO-TA, EUSO-BALLOON, la collaboration perçoit des financements successifs pour améliorer et diversifier ses techniques de détections. D'abord avec EUSO-SPB (SPB : Super Pressure Balloon) en 2017, une version améliorée d'EUSO-BALLOON vole jusqu'à 38 km d'altitude[9]. Puis avec MINI-EUSO, petit détecteur embarqué et installé sur l'ISS en 2019[10] pour étudier plus précisément le background lumineux généré par la terre ; une étude essentielle avant le déploiement de K-EUSO[11]. Enfin, en 2023, JEM-EUSO concrétise un troisième vol ballon lors de la mission EUSO-SPB2[12].
La prochaine mission de la collaboration, EUSO-SPB3/PBR, est prévue pour 2027.
Aujourd'hui la collaboration a deux objectifs principaux. D'abord, placer un dispositif de détection de grande taille à bord de l'ISS, ce qui doit être réalisé par la mission K-EUSO. Et parallèlement, elle étudie la possibilité de développer ses propres satellites en élargissant son domaine d'étude, dans le cadre de la mission POEMMA[13].
Principe de détection
L'observation des rayons cosmiques se fait traditionnellement depuis des observatoires terrestres, soit en détectant et analysant les gerbes de particules produites par la collision du rayon cosmique avec l'atmosphère terrestre, soit en observant la fluorescence de l'atmosphère générée par le rayon cosmique incident. Pour détecter un nombre d'événements statistiquement significatifs, les observatoires terrestres doivent couvrir une très grande surface (à l'instar de l'Observatoire Pierre Auger d'une superficie de ). JEM-EUSO propose de contourner cette contrainte en observant la fluorescence depuis des observatoires spatiaux. Chaque détecteur embarqué pointant vers le sol possède alors un très grand volume de l'atmosphère dans son champ de vue.
