JEM-EUSO acronyme de (Extreme Universe Space Observatory on Japanese Experiment Module) est un projet d'observatoire spatial chargé d'analyser depuis l'espace les manifestations des rayons cosmiques à très haute énergie (> 3x1019 eV).
Cette mission spatiale a pour objectif principal de déterminer l'origine de ces particules et de tenter d'expliquer leur existence qui contredit la limite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin. Il prend le relais de l'observatoire Pierre-Auger grâce à sa capacité à détecter un nombre de particules à haute énergie statistiquement significatif. L'instrument développé par plusieurs instituts de recherche de différents pays emmenés par le laboratoire japonais RIKEN (Université de Tokyo) doit être installé vers 2020 à bord de la Station spatiale internationale.
Historique du projet
JEM-EUSO est la concrétisation de deux projets développés à la fin des années 1990 pour observer les rayons cosmiques à très haute énergie : respectivement les projets OWL (Orbiting Wide-angle Light-collector) de la NASA et Airwatch des chercheurs italiens. Au début des années 2000 l'Agence spatiale européenne sélectionne pour son laboratoire spatial Colombus (module de la Station spatiale internationale) l'expérience EUSO (Extreme Universe Space Observatory) pour l'étude des rayons cosmiques. En 2004 ce projet passe avec succès la phase A mais à la suite de problèmes financiers rencontrés par l'agence spatiale reste bloqué à ce stade. Le projet est alors repris en 2007 par l'Agence spatiale japonaise (JAXA) en collaboration avec 95 institution de 16 pays différents (Algérie, Etats-Unis d'Amérique, Japon, Russie, Corée du Sud...) . Le nouveau projet baptisé JEM-EUSO (JEM = module spatial japonais de la station spatiale internationale) devait être lancé initialement en 2015 par une fusée japonaise H2-B en tant que charge utile externe d'un cargo spatial HTV [1]. Des prototypes à échelle réduite destinés à mettre au point l'instrument ont été testés au sol (Telescope Array en 2013) et en vol dans le cadre de missions aéroportées par ballon (EUSO-BALLOON 2014) organisées par le CNES. D'autres tests effectués depuis ballon sont planifiés - EUSO-SPB et MINI-EUSO en 2017- ainsi qu'un prototype spatial K-EUSO en 2019[2].
Principes de fonctionnement
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 produite par l'arrivée du rayon cosmique dans l'atmosphère terrestre à des vitesses ultra-relativistes.
JEM-EUSO utilise une nouvelle technique d'observation des rayons cosmiques qui repose sur un télescope spatial. Celui-ci observe depuis une altitude de 400 km le rayonnement ultraviolet (longueurs d'onde 330–400 nm) des traces fluorescentes produites par les rayons cosmiques arrivant dans l'atmosphère terrestre à des vitesses ultra-relativistes. Les photons des gerbes de particules créées par la pénétration des rayons cosmiques dans l'atmosphère sont également observées lorsqu'ils sont réfléchis par le sol. Le télescope ultraviolet enregistre la trace laissée par la gerbe de particules avec une résolution temporelle de 2,5 μs et une résolution spatiale de 0,5 km (correspondant à une résolution angulaire de 0,07° lorsque l'instrument est pointé vers le nadir). En relevant le développement cinématique de la gerbe de particules, JEM-EUSO permet de mesurer l'énergie, la direction d'arrivée et la nature de la particule primaire formant le rayon cosmique incident. Le télescope spatial se déplace avec la Station spatiale internationale sur une orbite qui lui fait survoler la Terre entre les latitudes -51° et °51° ce qui rend plus difficile l'interprétation des données recueillies que lorsque les observations sont faites depuis le sol : en effet l'arrière-plan des traces est variable (océans, zones terrestres, régions sombres, régions lumineuses) ainsi que les conditions atmosphériques. Pour prendre en compte ces phénomènes, l'instrument est couplé avec une caméra infrarouge et un lidar[3],
Objectifs
Les principaux objectifs scientifiques sont les suivants[4] :
- Identification des sources des rayons cosmiques à très haute énergie à partir de l'analyse statistique des directions d'arrivée de ces particules
- Mesure de la courbe spectrale, des flux et de l'énergie des particules associées aux sources
- Mesure statistique du spectre des particules dont l'énergie se situe à la limite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin. Pour y parvenir l'instrument est optimisé pour étudier les particules dont l'énergie est supérieure à 5 x 1019 eV.
La mission tentera également de[4] ;
- Découvrir les neutrinos à très haute énergie
- Découvrir les rayons gamma à très haute énergie
- Étudier de manière statistiques les champs magnétiques galactique et extra galactique.
Caractéristiques techniques
L'instrument JEM-EUSO est constitué d'une partie optique, d'un détecteur et de capteurs destinés à analyser le contexte (atmosphère, arrière-plan au sol). L'ensemble pèse 1 938 kg et consomme environ 1 000 watts lorsqu'il fonctionne de manière active[5] :
- La partie optique est un télescope doté d'un champ optique de grand angle (30°) permettant d'observer une vaste surface (environ 1,3 105 km²). Elle est constituée de trois lentilles de Fresnel de 2,65 mètres de diamètre qui permettent d'obtenir le champ optique grand angle avec une résolution angulaire de 0,075°. La surface focale (superficie 4,5 m2) est de forme sphérique (rayon de courbure de 2,5 mètres) et d'un diamètre de 2,3 mètres. Les lentilles sont réalisées en polyméthacrylate de méthyle.
- Le détecteur est constitué de 5000 tubes photomultiplicateurs de type MAPMT (multi-anode photo-multiplier) à 64 bits qui comptent les photons individuellement avec une efficacité quantique d'environ 40%.
Déroulement de la mission
L'instrument JEM-EUSO doit être lancé vers 2020 par une fusée japonaise H2-B en tant que charge utile externe d'un cargo spatial HTV. Une fois le vaisseau amarré à la Station spatiale internationale, l'instrument qui a été transporté dans une configuration de stockage doit être amarré sur un des points de fixation de la palette EF du module japonais Kibō. Cette opération est réalisée par un membre d'équipage de la station spatiale à l'aide du bras robotisé Canadarm 2. L'instrument doit fonctionner d'abord trois ans en étant pointé vers le nadir (la Terre) pour permettre la détection de particules ayant une énergie moindre. Cette phase permet de recouper les mesures effectuées avec celles des observatoires terrestres. Dans une phase ultérieure l'instrument est incliné de 35° pour couvrir une surface plus importante et ainsi permettre la détection d'un nombre de particules à haute énergie statistiquement significatif[6].
