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Une équipe de chercheurs de plusieurs universités japonaises a développé un observatoire de rayons gamma embarqué sur un ballon et constitué d'un ensemble de dizaines de films minces en émulsion. Les traces de particules dues au rayonnement apparaissent sous forme de petits points sur chaque couche de film individuelle. [Image: GRAINE collaboration]
À l'ère de la photographie numérique haute résolution instantanément disponible, il est facile de conclure que les anciennes technologies photographiques (les films traditionnels à base d'émulsion) n'ont pas grand-chose à offrir. Cependant, il semble que les films en émulsion aient encore leur utilité.
Exemple concret : dans des travaux récemment rapportés, une équipe scientifique basée au Japon a utilisé un nouveau « télescope » constitué d’une « pile de crêpes » de films d’émulsion pour imager les rayons gamma du lointain pulsar Vela avec ce que les auteurs disent être « le niveau le plus élevé ». « de résolution angulaire. pour tout télescope à rayons gamma à ce jour » (Astrophys. J., doi : 10.3847/1538-4357/ad0973). Heureusement, ils ont également profité d’une autre technologie aux racines historiques anciennes : un ballon scientifique pour faire voler le télescope basé sur un plateau de tournage en hauteur pour observer de plus près le ciel des rayons gamma.
Au cours d'un vol en ballon de 900 kilomètres à travers le centre de l'Australie, l'instrument à l'aspect inconfortable a pu capturer « plusieurs milliards de trajectoires » de paires électron-positon dérivées des rayons gamma, « avec une résolution de 1/10 000 mm », selon l'étude co. -auteur Shigeki Aoki de l'Université de Cuba. La résolution de l’instrument à film a permis de mesurer le pulsar avec une résolution « plus de 40 fois supérieure à celle des télescopes à rayons gamma conventionnels », ajoute Aoki.
Vers de meilleures mesures des rayons gamma
Bien entendu, les télescopes à rayons gamma ne manquent pas aujourd’hui. Par exemple, le télescope spatial à rayons gamma Fermi en orbite autour de la Terre, lancé en 2008, a effectué des observations révolutionnaires au cours de sa longue mission, tout comme d'autres missions spatiales telles que l'Observatoire intégral de l'Agence spatiale européenne. Plusieurs observatoires au sol scannent également le ciel aux rayons gamma.
Le problème avec la technologie actuelle des télescopes à rayons gamma, selon la nouvelle étude, est qu'elle ne parvient pas à déterminer l'angle d'incidence des rayons gamma et n'est pas sensible à la polarisation. Améliorer ces lacunes est « la clé pour réaliser les prochaines avancées dans le domaine de l’astronomie des rayons gamma », affirment les auteurs.
Empiler des crêpes (tenir le sirop)
Une photo de presse inhabituelle compare la pile de films d'émulsion dans le nouveau détecteur de l'équipe à une pile de crêpes, et le trajet des rayons gamma à une paille traversant la pile en biais. [Image: Kobe University]
Il y a plus de dix ans, les chercheurs à l’origine de cette nouvelle recherche ont trouvé une solution à ce dilemme. En empilant un grand nombre de films d’émulsion sensibles aux rayons gamma, ils peuvent capturer les trajectoires des paires d’électrons et de positons créées par les rayons gamma (grâce au processus de production de paires) lorsqu’ils traversent chaque couche de la pile de films.
Dans un communiqué de presse (et une photo quelque peu comique) accompagnant la recherche, une pile de films d'émulsion était comparée à une pile de crêpes. Tout comme l'angle de la paille collée sur la pile de tartes peut être mesuré par la position du trou dans chaque couche successive, de même l'angle d'incidence des rayons gamma sur la pile de films peut être retracé – avec des angles extrêmes. précision. Étant donné que l’azimut du plan de la paire électron-positon est lié (bien que faiblement) à la polarisation des rayons gamma, l’installation peut également être utilisée pour des mesures de polarisation.
Contrôler la situation et le temps
L’équipe a associé ce concept à des systèmes supplémentaires intelligents pour contrôler le lieu et l’heure de leurs observations par ballon. Le cœur de l’appareil, que les chercheurs appellent le « transducteur », est un empilement de 33 mm d’épaisseur de 100 couches de film, chacune mesurant 330 micromètres d’épaisseur et contenant chacune une couche d’émulsion de cristaux de bromure d’argent de 75 micromètres d’épaisseur. Le transducteur est conçu pour détecter et suivre les électrons et les positrons produits à travers la paire sur une distance statistiquement significative, permettant ainsi une mesure angulaire.
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Schéma du détecteur de rayons gamma à film émulsion construit par l'équipe. [Image: S. Takahari et al., Astrophys. J. 960, 47 (2024); CC-BY 4.0]
L’équipe devait également s’assurer qu’elle était capable de reconstruire l’emplacement exact (en particulier l’attitude) de l’instrument embarqué sur le ballon et le moment exact de chacun des trajets de rayons gamma qu’il capturait. Pour la première exigence, les chercheurs ont utilisé un réseau de trois caméras stellaires séparées de 90 degrés en azimut. Cela permet d'enregistrer l'orientation de l'instrument par rapport aux étoiles fixes, puis de mesurer et de corriger l'orientation de l'instrument à chaque observation.
Entre-temps, pour déterminer le timing, l'équipe a développé un « horodatage » innovant, composé de trois étages horizontaux de films multicouches supplémentaires, chaque étage oscillant d'avant en arrière sous le transformateur stationnaire à des vitesses uniformes mais différentes. Le déplacement relatif des trajectoires capturées dans les couches supérieures fixes du transformateur à travers les trois phases inférieures dépendant du temps permet un horodatage précis pour chaque événement de rayons gamma.
Premier voyage
En avril 2018, alors que les vents étaient favorables pour un vol entre Alice Springs et Longreach, dans le centre de l'Australie, des chercheurs ont emballé cet instrument inhabituel dans une gondole fermée et pressurisée et l'ont attaché à un ballon scientifique à haute altitude. Le ballon a transporté l'appareil à une hauteur de 38 kilomètres au-dessus de la surface de la Terre. Après un voyage de 17,4 heures et 900 kilomètres, la télécabine a été lancée et a dérivé vers la Terre en parachute, où elle a été récupérée par des scientifiques. Le vol est programmé pour inclure 6 heures pendant lesquelles le pulsar Velea – une étoile à neutrons en rotation rapide située à environ 800 années-lumière de la Terre – peut être observé en continu dans le ciel.
Le système aurait permis de capturer une image de l'émission de rayons gamma du pulsar Velea avec une résolution angulaire environ 40 fois meilleure que les mesures précédentes (ligne pointillée). [Image: GRAINE collaboration]
Pour donner un sens à la grande quantité de données collectées au cours du court vol, les chercheurs ont utilisé un système automatisé à haut débit récemment développé pour d’autres études sur les émulsions nucléaires. Ce système à grande vitesse, combiné aux données d'un convertisseur et d'une émulsion d'horodatage, leur a permis de développer une image du pulsar en tant que source ponctuelle, avec une résolution signalée plus de 40 fois meilleure que les efforts précédents.
« Nous avons obtenu l'imagerie de la plus haute résolution du pulsar Vela à ce jour et validé le fonctionnement du télescope à émulsion à rayons gamma à la résolution angulaire la plus élevée dans ce régime énergétique », a écrit l'équipe.
Prochaine étape : l'agrandissement
Même si ces premiers résultats semblent impressionnants, l’expérience Vela pulsar constitue essentiellement une preuve de concept et l’équipe a de grands projets pour l’avenir. Les chercheurs se concentreront particulièrement sur l’augmentation de la zone sensible du détecteur et la réalisation de vols plus longs. Ils amélioreront également l'efficacité du traitement des énormes données collectées par le système (peut-être un facteur important, à en juger par les plus de cinq années entre le vol d'avril 2018 et la publication du journal en décembre 2023).
« Grâce aux expériences scientifiques embarquées sur des ballons, nous pouvons essayer de contribuer à de nombreux domaines de l'astrophysique, en particulier en ouvrant les télescopes à rayons gamma à l'astronomie multi-messagers », a déclaré Aoki dans un communiqué de presse accompagnant la recherche, « où des mesures simultanées de la le même événement est nécessaire grâce à différentes techniques.
