HAWC : 50 millions de litres d’eau pour cartographier l’Univers

Ces 300 cuves au pied du pic d'Orizaba doivent repérer les phénomènes les plus énergétiques de l’Univers. © P. Henarejos/C&E
Entre deux volcans mexicains, à 4100 m d’altitude, l’observatoire HAWC explore le ciel dans le domaine des rayons gamma et des rayons cosmiques. Une expérience unique, à l’aide de 300 gigantesques cuves remplies d’eau.

À se promener dans les allées de HAWC (High Altitude Water Cherenkov), nul ne jurerait se trouver dans un observatoire astronomique, mais plutôt au milieu d’une étrange cité de silos.

Hormis le vent qui, à chaque rafale, soulève des tourbillons de fine poussière, rien ne bouge entre les 300 énormes cylindres de tôle ondulée alignés en rangées régulières sur plus de 2 hectares. L’étrange installation nichée au pied du pic d’Orizaba, à 200 km à l’est de Mexico, est pourtant chargée de repérer les événements les plus violents de l’Univers.

Ces 300 cuves au pied du pic d'Orizaba doivent repérer les phénomènes les plus énergétiques de l’Univers. © P. Henarejos/C&E

Chacune de ces cuves est en réalité une cuve haute de plus de 5 m et large de plus de 7 m, remplie de 180 000 litres d’une eau parfaitement pure ! Tout cela, pour capter les rayons cosmiques qui arrivent dans l’atmosphère terrestre et ainsi cartographier les régions de l’Univers d’où ils ont été émis.

Un piège à photons gamma

Si HAWC ressemble plus à un entrepôt qu’à un observatoire, c’est en raison de la nature des rayonnements observés. Il s’agit de photons gamma, des millions de fois plus énergétiques que ceux qui véhiculent la lumière visible, mais aussi de particules — des protons et des noyaux atomiques — accélérées à une vitesse extrêmement proche de celle de la lumière par les phénomènes les plus violents de l’Univers.

Certaines de ces particules sont créées au cœur de la fournaise solaire, à 15 millions de degrés, mais la plupart viennent de l’environnement d’étoiles à neutrons et de trous noirs, de noyaux actifs de galaxies ou encore sont émis lors de sursauts gamma qui correspondent à des explosions d’étoiles très massives.

Rayonnements très pénétrants

Or, les rayons cosmiques, très pénétrants, ne peuvent pas être captés par des télescopes traditionnels. L’une des techniques utilisées consiste à déceler la collision de l’une de ces particules avec de la matière.

C’est la raison pour laquelle les astronomes ont construit de grandes cuves remplies d’eau à l’intérieur desquelles se trouvent trois détecteurs (appelés phototubes). Quand une particule cosmique percute une molécule de l’eau d’une cuve, elle crée une petite “étincelle” aussitôt repérée par les détecteurs.

Des particules qui indiquent leur provenance

En réalité, la majorité des particules qui arrivent dans les cuves sont déjà les produits de collisions qui ont eu lieu plus haut dans l’atmosphère terrestre. Une seule collision à une dizaine de kilomètres d’altitude crée ainsi une pluie de particules secondaires qui sont détectées quasi simultanément par plusieurs cuves de HAWC.

En mesurant l’infime différence de temps d’arrivée des particules d’un même groupe entre plusieurs cuves, les astronomes peuvent déduire la provenance exacte des particules initiales. Il leur suffit ensuite de comparer avec les cartes célestes précises dont ils disposent pour savoir quel astre en est à l’origine.

L’astrophysicien mexicain Alberto Carraminana pose à côté d’une des cuves de l’observatoire HAWC. Chacun de ces grands silos remplis d’eau pure
sont chargés de déceler les particules très énergétiques. © P. Henarejos/C&E

Alberto Carramiñana, astrophysicien à l’INAOE, l’institut mexicain qui est à l’origine de l’observatoire, explique : “En tout, nous avons identifié 39 sources, telles que le pulsar du Crabe, dans la nébuleuse M1, le pulsar Geminga ou des galaxies de Markarian.”

Objets célestes non identifiés

Parmi les sources de rayons cosmiques révélées par HAWC, dix-neuf ne correspondent encore à rien de connu. “Pour le moment, des groupes sont en train d’étudier ces régions avec des télescopes pour voir s’ils confirment les détections et ensuite pour caractériser les objets correspondants”, détaille Alberto Carramiñana.

Il faut dire que HAWC pêche avec un très grand filet. L’observatoire reçoit des rayonnements de toute la voûte céleste située au-dessus de lui et qui n’est pas masquée par les deux volcans entre lesquels il a été installé, le pic d’Orizaba, haut de 5650 m, au nord-est, et la Sierra Negra, qui culmine à 4600 m, au sud-ouest.

La salle de contrôle de HAWC. L’observatoire fonctionne 24 h/24. © P. Henarejos/C&E

Instantanément, l’observatoire couvre 15 % de toute la sphère céleste, et il fonctionne 24 h/24. “Nous regardons les deux tiers du ciel chaque jour”, précise Alberto Carramiñana.

Dès l’implantation de ses premières cuves, en 2012, l’observatoire a été pensé pour venir en complément d’autres sites, tels que Hess en Namibie, Veritas aux États-Unis ou Magic aux Canaries, et couvrir des énergies plus hautes.

Un nouvel atlas du ciel

En effet, en ce qui concerne les rayonnements cosmiques, les astronomes ne parlent plus en termes de longueurs d’onde, mais en mesures d’énergie contenue dans chaque particule, exprimées en électronvolts (eV). Ainsi, HAWC est sensible aux énergies de 100 GeV à 100 TeV (de un à mille milliards d’électronvolts).

Et dans ce domaine, depuis une dizaine d’années, il accumule les données de manière à réaliser une carte céleste de toutes les émissions captées. Essentiellement, celles-ci semblent provenir de nuages moléculaires et de restes de supernovae en expansion. Mais les régions de formation stellaire, et les vents des étoiles très massives constituent d’autres sources.

HAWC détecte sur la voûte céleste les phénomènes de très haute énergie. © HAWC

Un catalogue d’objets a été publié et devrait à terme prendre la forme d’une interface d’observatoire virtuel grâce à laquelle tous les astronomes pourront puiser facilement des informations sur les astres qui les intéressent.

Matière noire et antimatière

Sur la durée, HAWC pourrait aussi permettre quelques avancées sur la matière noire en détectant l’émission gamma que celle-ci devrait en théorie produire autour de la galaxie d’Andromède M 31 ou d’amas de galaxies proches.

Enfin, l’observatoire laisse espérer détecter des antiprotons, qui révéleraient l’antimatière. Pour cela, les astronomes disposent d’une alliée inattendue : la Lune. En masquant une partie de la voûte céleste avec sa surface apparente importante, celle-ci pourrait permettre de déceler d’un côté les protons et de l’autre les antiprotons. Alberto Carramiñana précise :

Nous n’avons pas encore détecté l’antimatière. Mais plus nous aurons plus de données, et plus sensibilité sera importante et cette détection deviendra possible.

Dans tous les cas, toutes ces promesses devront être tenues avant 2025. En effet, HAWC est installé dans le parc national du pic d’Orizaba et il ne dispose que d’une autorisation temporaire. Au-delà de cette date, il faudra que les astronomes rendent le site dans l’état dans lequel ils l’ont trouvé.

Un observatoire éphémère

Malgré cette limite, les choses se passent plutôt bien pour cet observatoire issu d’une collaboration interbationale, puisqu’il a récemment obtenu le feu vert pour réaliser en 2018 une extension à l’aide de 350 cuves plus petites réparties sur 100 000 m2 afin d’améliorer ses performances aux énergies supérieures à 10 TeV.

Les silos de HAWC nécessitent une maintenance permanente. © P. Henarejos/C&E

Plus que jamais, les 300 citernes et leurs 54 millions de litres d’eau fonctionnent à plein régime. Et la dizaine de personnes qui travaillent à l’entretien du site ne chôme pas.

Il faut en permanence remplacer des photo-tubes tombés en panne, à l’aide d’un système de câbles, sans vider une seule cuve. Et aussi veiller à l’étanchéité de chaque réservoir, en réparant plutôt qu’en changeant les enveloppes en plastique noir qui ont été fabriquées aux États-Unis et dont il n’existe que 30 exemplaires de secours.

Avec les 300 petites cuves à disperser tout autour de la “cité des silos”, HAWC entame une nouvelle décennie avec un horizon dégagé sur l’énigme des rayons cosmiques.

HAWC est installé dans le parc national du pic d’Orizaba. Sa présence n’est que temporaire : en 2025, tout doit être démonté. © P. Henarejos/C&E

 

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