Les Hautes Technologies
au service de JEM-EUSO
Lentille de Fresnel #2

Comparaison de JEM-EUSO avec les plus grands observatoires au sol
AGASA

HiRes

Auger

Telescope Array

JEM-EUSO

Organisation

Université de Tokyo

Université de l’ Utah

Consortium
International

Université de Tokyoet Université de l’Utah

Consortiuminternational

Lieu

Yamanashi, Japon

Utah, USA

Argentine

Utah, USA

Station Spatiale
internationale

Type de DétecteursRéseau terrestre

Fluorescence
Télescope au sol

Réseau terrestre +Télescope Fluorescence au sol

Période d’opération

1990~2004

1997~2006

2005~

2007~

Lancement attendu
en 2013150500~7000760

1250001
expérience terminéemoins de 1
expérience terminée

50 (attendus)

10 (attendus)

350 – 1700
(attendus)

ElectroniqueLentille de Fresnel précise
Support de Structure de Surface Focale
Iris

Ouverture eﬀective(km²·sr)
Détecteurs de Surface Focale

Evénements UHE(Nombre/an)

Réseau terrestre +Télescope
Télescope Fluorescence au sol Fluorescence Spatial

Lentilles de Fresnel
Lentille de Fresnel #1

Réaliser un grand angle-de-vueet être légerStructure

2.26 mDétecteurs de laSurface Focale

6,000 photomultiplicateurs

tLa surface focale est une calotte
sphérique de 2.26 m de diamètre.
6000 tubes photomultiplicateurs(PMTs) multianodes de 1-inch²
détectent la lumière émise dans lechamp de vue. Les PMTs précédentsavaient une surface photosensible
limitée à 45%. JEM-EUSO et
Hamamatsu Photonics ont développé
conjointement des PMTs avec une
surface eﬀective de 85%.

Le télescope JEM-EUSO utilise des lentilles de Fresnel. Ce sontdes lentilles d’épaisseur constante gravées en sillons circulaires qui éliminent la masse élevée des lentilles standard,convexes ou concaves. Le problème de la masse à envoyer
dans l’espace impose ce type de lentille. Contrairement à un
miroir, elles rendent l’instrument peu sensible aux petitsmouvements de l’ISS. JEM-EUSO utilise deux lentilles deFresnel, double face et bombées, et une lentille plate à microréseau. Elles sont en plastique transparent aux UV. Cette
conception donne la meilleure eﬃcacité pour le plus grandchamp de vue. Ces lentilles ont un diamètre de 2.5 m, composées d’un disque central de 1.5 m et d’un anneau circulaire
divisé.

Surface Focale

Consiste en 164 modules,
le nombre total dePMTs étant de 5904.

AltitudeNombre de pixels de la Surface Focale

environ 0.2 millions

Latitudes et longitudes d’observation N•51°- S•51° × toutes les longitudes

Résolution au sol

environ 0.8 km

Champ de Vue

60°

Cycle utile

12~25%

Ouverture (surface au sol)

0.2 million km²

Durée da la Mission

3 (+2) ans

Diamètre du télescope

2.5 m

Masse totale~1.9 ton

Système optique

Deux lentilles de Fresnel double-face et
une lentille de Fresnel de haute-précision

Puissance utilisée< 1 kW

environ 400 km

Partenaires InternationauxJapon

NASA/MSFC

France

APC
LAL
Univ. Paris 7&11/CNRS/IN2P3/CEA/Obs.ParisAllemagne

MPI Munich

ItalieUniv. Florence Univ. Palerme Univ. Rome “Tor Vergata” Univ. Turin
CNR-INOA IAS-PA/INAF IFSI-TO/INAF INFN

Mexique

ICN-UNAM

Republiquede Corée

Univ. Ehwa W.

RussieSINP MSU

SuisseObservatoire de Neuchatel

Une lentille centrale et des lentilles annulaires autorisent une taillede lentille plus grande que ce qui peut être fabriqué en une fois.

Le Véhicule de Transfert de la JAXA
transporte JEM-EUSO vers l’ISSt

Photomultiplicateurs

La surface du PMT est de26.2 mm². Sa surface
sensible eﬀective est de 85%.

LBL, UCB

Univ. Tuebingen

BUAP

UCLA Univ. Vanderbilt

MPI Bonn Wuerzburg

Univ. d’Arizona

Univ. Erlangen
Univ. Naples

UMSNH

Univ. Ajou

Univ. Yonsei

Univ. Nationale Chonnam

Computational Astrophysics Laboratory, RIKENLe Vehicule de Transfert (HTV) s’approchant de l’ISS ©JAXA

Une Nouvelle Astronomie utilisant l’Atmosphère Terrestre comme un Observatoire GigantesqueObservatoire Spatial de l’Univers Extrême à bord du Module d’Expériences Japonais

Dubna JINR

Collaboration JEM-EUSOt

Le HTV sera lancé par une fusée H-IIB(JAXA) et transportera JEM-EUSO defaçon autonome JEM-EUSO à l’ISS. Le
bras robotique de l’ISS déploiera JEMEUSO sur le module JEM de “Kibo”.

UAHt

Transport

RIKEN Konan Univ. Fukui Tech. Univ. Aoyama Gakuin Univ. Saitama Univ. NIRS Univ. TokyoTohoku Univ. ICRR, Univ. Tokyo KEK Chiba Univ. NAOJ ISAS/JAXA Kanazawa Univ. Nagoya Univ.
STE Lab., Nagoya Univ. Yukawa Inst., Kyoto Univ. Kyoto Univ. Kobe Univ. JAERI Kinki Univ.
Hiroshima Univ. Hokkaido Univ

Etats-Unist

Chaque module comprend
6 x 6 PMTs, et chaque PMT a
36 anodes, pour un total de212544 pixels indépendants.

2.5 m

Operation de la mission JEM-EUSO

2-1 Hirosawa, Wako, Saitama 351-0198 Japan
Tel : +81-48-467-9417
Fax : +81-48-467-4078
E-mail : jem-euso-staff@riken.jp URL : http://jemeuso.riken.jp/

GenèseObservatoire spatial de l’Univers Extrêmeà bord du Module d’Expériences Japonais
AGASAJEM-EUSO

20L’énergie la plus élevée (> 10 eV )jamais observée dans l’univers
Explosion de Supernova ©NASA et al.

tDétecter des rayons ultravioletsd‘une gerbe atmosphérique

Galaxie radio ©NRAOt

Les sources possibles de Particules d’Energie Extrême incluent des corps célestes inconnus

Le fait que l’on ait observé des particules dont l’énergie est
bien plus grande que celle de la coupure GZK déﬁe notre
compréhension de la physique et de l’astrophysique. Il sepourrait que des sources importantes de particules trèsénergétiques existent près de notre galaxie, à moins de 500
Mpc. Les sources pourraient inclure les radio-galaxies les plus
brillantes bien connues (Centaurus-A et Virgo M-87), ou
pourraient être des objets inconnus. Mais leur capacité à
accélerér des particules à si haute énergie demeure inconnue.
Ces énigmes méritent des explorations plus précises.

Rancosmiqd’Astronomie avec des Particules Chargées dans l’ Univers
Les particules chargées de basse énergie voient leurs trajectoires courbées par les champs
magnétiques de l’espace galactique et intergalactique. L’information directionnelle de leurorigine est perdue. Toutefois, les particules UHE sont à peine courbées, et gardent donc
l’information de la direction de leur origine. Les particules UHE sont donc qualiﬁées commemessagers cosmiques pour l’astronomie, au même titre que la lumière visible, les rayons X,
les lumières visible, infrarouge et ultraviolette ainsi que les neutrinos.
Parmi les sources pouvant émettre des particules UHE, on peut penser aux Supernovæ,aux Sursauts Gamma, aux Noyaux Actifs de Galaxie, ainsi qu’aux collisions récentes de Radio
Galaxies et leur trou noir central super massif. Ces objets cosmiques semblent cependant
incapables d’accélérer des particules à plus de 10²⁰ eV si on se réferre aux mécanismes
connus. Pour produire ces énergies extrèmes, il faut postuler l’existence de nouveauxmécanismes d’accélération, ou d’autres processus inconnus.
Atmosphère terrestreultra1818101018eVeV

hauteV
101919eV1020

10 10eV eV20

Rayons UV de ﬂuorescenceeénergievers l’univers, mais au contraire, regarde la surface de la Terre, vers le bas :l’atmosphère terrestre est le plus gros détecteur jamais employé dans notrequête pour comprendre les origines de ces particules insaisissables venant
de l’univers. JEM-EUSO est un nouveau type d’observatoire astronomique,à savoir un télescope astronomique “observant la terre”.

erbGeGerbe AtmosphériquesnotriuNet Les trajectoires des particules chargéessont courbées par les champs magnétiques,mais, si E > 10²⁰ eV, elles restent presquerectilignes, conservant ainsi l’informationde la direction originelle.

ueiqérhposmt
A

Directions simulées des origines desparticules UHE (1000 événements avec
JEM-EUSO). De multiples événements seconcentrent là où se situent des sources
puissantes.
Dans les encarts: le ﬂux en fonction del’énergie pour chacune des accumulations
donne ainsi des indications sur lemécanisme local de production desrayons cosmiques.

Exploration des neutrinos de la plus haute energie

Examiner les phénomènes lumineux atmosphériques

Les neutrinos n’interagissent pratiquement pas avec la matière,
et ne sont pas soumis à la coupure GZK. Ce rendement très faible
ainsi que la masse limitée des détecteurs fait qu’aucun événement n’a pu être détecté jusqu’à présent. Quelques neutrinos detrès haute énergie pourraient être observés chaque année par
JEM-EUSO grâce aux 2x10¹² tonnes d'atmosphère terrestre
observées par l'instrument.

JEM-EUSO peut détecter des événements transitoires illuminant l’atmosphère dans le ciel
nocturne (éclairs, météorites, “air-glows”). Leséclairs ont lieu entre nuages et terre ainsi que denuages à nuages. Les plus intéressants de cesévénements surbrillants sont de longues décharges dans la haute atmosphère, appelées “bluejets”, “sprites” et “elfes”. Ces événements sedirigent des nuages vers l’espace. Leur fréquence
et position à la surface du globe seront examinées
pour explorer les causes de ces phénomènes(rayons cosmiques?). Les météorites sont, eux, despetits solides plongeant depuis l’espace dansl’atmosphère terrestre. Observer leurs tailles etleurs spectres de ﬂuorescence devrait permettred’en savoir plus sur leurs astéroïdes-mères, ainsique sur d’autres sources du système solaire.

Energies ultimes – plus fort que le LHC
Le plus grand accélérateur construit sur terre, le “Large Hadron Collider”(LHC), entrera en fonction en 2008. Il générera des protons de hauteénergie (ECM =1.2 x 10¹³ eV) pour explorer des lois fondamentales de laphysique. Les rayons cosmiques les plus énergiques déjà découverts
ont des énergies plus élevées d’un facteur 1000. La frontière del’énergie pour la physique fondamentale pourra être reculée parl’observation par JEM-EUSO de ces rayons cosmiques ultra-énergétiques.

t

sur la Station Spatiale Internationale explorel‘origine des particules les plus énergiques de l’Univers.
tL’atmosphere terrestre photographiée depuis la Navette Spatiale ©NASA

Qu’attend-on du télescope spatial JEM-EUSO?

tue

L’acceptance géométrique excède celled’AGASA de plus d’un facteur 1000Une très grande surface d’observation est nécessaire pour observer
les rares événements aux plus hautes énergies. L’Institut pour laRecherche des Rayons Cosmiques de l’Université de Tokyo vient determiner la construction du “Telescope Array” dont la surface est de760 km², dans l’Utah, USA, comme successeur à AGASA. Le plus grandréseau actuellement déployé (surface de 3000 km²), démarré en 2005
écline inAGASA
oden Argentine, est l’Observatoire Pierre Auger (Pierre Auger est lenmOeSAUGER-EUscientiﬁque français qui découvrit le premier les gerbes atmosphériJEMJEM-EUSO
Nadirques, il y a 70 ans). Les observatoires au sol ne peuvent voir que
500 kml’hémisphère Nord, ou le Sud, mais pas les deux.
Les détecteurs au sol ont presque atteint l’extension maximalepossible sur terre. L’observatoire spatial EUSO, détectant à distance,
fait un grand pas en avant dans la taille de la surface d’observation,jusqu’à 100000 - 500000 km² (plus de 1000 fois la surface d’AGASA) avec un télescope à 400 km d’altitude et une ouverture
angulaire de 60°. L’ISS survole les hémisphères Nord et Sud. Une observation de tout le ciel avec un détecteur unique permetde chercher des corrélations avec tous les objets connus pouvant servir de sources.

Défi

Les rayons cosmiques traversant l’atmosphère de la terre font descollisions avec les noyaux présents dans l’air et génèrent de multiplesélectrons, mésons et rayons gamma. Les particules secondaires, le longde leur passage dans l’atmosphère, produisent une nouvelle générationde particules. Toutes ces particules constituent ce que l’on appelle une“Gerbe Atmosphérique”. Un évènement cosmique d’énergie 10²⁰ eVgénérera environ 100 milliards de particules dans un cône de 6 km dediamètre au niveau de la terre.
Les électrons de la gerbe atmosphérique excitent les moléculesd’azote de l’atmosphère, qui émettent instantanément des photons
ultraviolets de ﬂuorescence le long de la trace. JEM-EUSO détecte cettelumière et construit l’image du mouvement de la trace toutes lesquelques microsecondes (millionièmes de seconde), comme une caméra
digitale ultra-rapide. La croissance et la décroissance de l’intensité dusignal lumineux le long de la trajectoire d’une gerbe donneront l’énergie
et la direction du rayon cosmique incident.

yoObserver la terre depuis la Station Spatiale InternationaleJEM-EUSO a été conçu pour s'attaquer au domaine d'énergie de la suppression GZK et identiﬁer l’origine astronomique de ces particules UHE. JEMEUSO peut détecter 1000 particules avec E > 7x10¹⁹ eV pendant une mission
de 3 ans. Leurs énergies et directions seront mesurées avec précision pourcomprendre leur origine.
Le Module d'Expériences Japonais (JEM) sur la Station Spatiale Internationale (ISS) abritera JEM-EUSO. Ce télescope astronomique n’est pas dirigé

JEM-EUSO sera déployé sur“Kibo” (JEM) de l'ISS, orbitant
autour de la terre toutes les 90
minutes à une altitude
d’environ 400 km.

Observation

La relativité est-elle vraie à toutes les échelles?
Y a-t-il des objets et des mécanismes inconnus?

Espace“Kibo” (JEM)Pulsar ©NASA et al.

Sursaut Gamma ©Equipe BeppoSAX*10²⁰eV : Une énergie de 16 Joules égale à celle d’une masse de 100 g tombant de 1,60 m.

La suppression des particules de Ultra Haute Energie a étéprédite théoriquement par Greisen, Zatsepin et Kuz’min (eﬀetGZK) car l’univers est rempli du fond cosmique micro-ondes(CMB) qui est le résidu le plus observable du Big Bang. Lesrayons cosmiques UHE font des collisions avec les photons duCMB et perdent de l’énergie sur une distance de 150 millionsd’années-lumière (50 Mega parsecs), jusqu’à ce que cetteénergie soit réduite à 6 x 10¹⁹ eV (aussi longtemps que laRelativité Restreinte d'Einstein reste valide pour toute énergieet tout endroit dans l’univers).

(Japan Experiment Module)

Station Spatiale Internationale (ISS)

Toutes les secondes, des milliers de particules chargées bombardent chaquem² de la terre. Elles sont appelées “Rayons Cosmiques”. Leur ﬂux décroît quandl'énergie augmente. Le nombre de celles dont l’énergie est > 6 x 10¹⁹ eV doitêtre très diminué en raison de leurs collisions avec le fond micro-ondes quibaigne uniformément l’univers.
Après la découverte d’un événement à 10²⁰ eV (ci-après baptisé UHE) en
1963 par Linsley, une douzaine de nouveaux événements furent observés dansles années 90 par l’instrument Akeno-Giant-Air-Shower-Array (AGASA) del’université de Tokyo et par l’expérience Fly’s Eye / Hi-Res de l’université del’Utah. L’origine de ces particules de la plus haute énergie est inconnue etfascinante, et suscite un intérêt scientiﬁque considérable.

PuzzleProgrès

Module d’expériences japonais(Extreme Universe Space Observatory)

Un éclair intéressant: unphénomène “Carrot Sprite”.
Photo fournie par Koji Ito(Suginami-ku, Tokyo).