Codalema

CODALEMA (COsmic ray Detection Array with Logarithmic ElectroMagnetic Antennas) est un ensemble d’instruments dédié au développement de techniques de détection des rayons cosmiques d’ultra haute énergie que l’on observe à travers les cascades de particules qu’ils provoquent dans l’atmosphère.

Les rayons cosmiques d’ultra haute énergie sont des particules relativement rares et produites par des phénomènes violents dans l’Univers, comme l’explosion de supernovæ ou au sein de noyaux actifs de galaxies. Même si il s’agit d’un domaine de recherche relativement ancien (on attribue à Victor Hess en 1912 et à Pierre Auger dans les années 1930 les découvertes respectives des rayons cosmiques et des gerbes atmosphériques), de nombreuses questions restent posées à leur sujet : d’où viennent ces particules très énergétiques ? quelle est leur nature ? Peut-on les associer à d’autres observations ?

Lorsqu’ils arrivent sur Terre, ces rayons interagissent avec l’atmosphère et produisent ainsi des cascades de particules appelées gerbes atmosphériques. Ces dernières induisent des signaux électromagnétiques très brefs qui sont mesurés dans une large bande de fréquence notamment par un réseau d’antennes disposées sur une grande surface.

Augmenter les capacités de radio-détection de ces rayons cosmiques a été l’objectif principal de CODALEMA pour permettre la constitution plus rapide d’une collection statistiquement plus importante de signatures de ces messagers, de caractériser les propriétés dans la gamme des très hautes énergies et de tenter d’apporter des réponses aux énigmes qui les entourent.

Créée en 2002, CODALEMA a dans sa première configuration permis de prouver la faisabilité et l’intérêt de la radiodétection pour l’étude des rayons cosmiques. L’expérience a depuis connu plusieurs évolutions majeures en remplaçant des antennes log-périodiques puis des dipôles courts par plusieurs instruments complémentaires pour étudier les rayons cosmiques.

Un ensemble de 54 éléments est déployé sur tout le domaine de l’Observatoire Radioastronomique de Nançay pour couvrir une surface de l’ordre d’un km2. Bénéficiant du progrès de nos connaissances sur les furtifs signaux produits par les gerbes atmosphériques, ces stations autonomes, grâce à des antennes sensibles et des circuits électroniques dédiés, enregistrent seules les quelques rayons cosmiques de haute énergie qui tombent par semaine dans l’environnement de Nançay. C’est l’instrument principal de CODALEMA.

Lors du développement d’une gerbe atmosphérique, certaines particules atteignent le sol et sont captées par un réseau de 13 détecteurs de particules appelés scintillateurs. En combinant en temps réel les signaux observés par ces détecteurs, les gerbes sont observées sans ambiguïté et une information de détection est envoyée vers d’autres instruments.

Inséré dans le réseau de scintillateurs, le réseau compact est un petit ensemble d’antennes dédié à caractériser les variations, sur de petites distances, du signal radio produit dans les gerbes. Ces antennes sont similaires aux antennes utilisées par le radio télescope NenuFAR. Son bon fonctionnement au cours de plusieurs années a permis la collection d’un riche échantillon de données et conduit à son démantèlement en 2020.

Plusieurs instruments dédiés ont été conçus et installés pour des observations particulières. Il s’agit notamment d’un petit réseau de 7 antennes basse fréquence déployé dans le cadre du projet EXTASIS à différents endroits de l’Observatoire de Nançay. Une antenne intégrant trois dipôles orthogonaux a été également développée pour mesurer les 3 composantes du champ électrique produit. Enfin, la piste d’un prototype combinant en temps réel les signaux numérisés de plusieurs antennes a été suivie pour plus efficacement extraire parmi les parasites radio, les rares signaux produits par les rayons cosmiques de haute énergie. Ces instruments ont été déposés au cours de l’année 2020.

Les objectifs de CODALEMA sont se principalement focalisés sur la détection efficace des gerbes atmosphériques et sur la détermination précise des propriétés des rayons cosmiques induisant les gerbes atmosphériques et le rayonnement électromagnétique transitoire associé. Ces objectifs ont été largement atteints puisque CODALEMA observe routinièrement et sans ambiguïté des rayons cosmiques. La qualité des informations déduites à partir du signal radio fréquence de ces rayons cosmiques a également été démontrée.

Les signaux recherchés par CODALEMA sont extrêmement courts (quelques dizaines de milliardièmes de seconde) et de très faible amplitude (quelques dizaines de millivolts). Ils se trouvent noyés dans un environnement dominé par des sources de signaux parasites principalement produits par l’activité humaine. Un transformateur électrique en fonctionnement, un moteur qui tourne, une clôture électrique protégeant une culture, un avion qui passe… un nombre très important de sources génère des millions de signaux par jour parmi lesquels il faut être capable d’identifier celui produit par le seul rayon cosmique de haute énergie qui va probablement “tomber” durant cette période.

Ce défi qui s’apparente à trouver une aiguille dans une botte de foin a pu être relevé en s’appuyant sur les connaissances acquises au fil des ans. Des différences remarquables entre les deux catégories de signaux à séparer ont été identifiées et sont exploitées : les rayons cosmiques sont aléatoires alors que les signaux parasites sont souvent répétitifs, voire réguliers; les rayons cosmiques proviennent de l’espace alors que les sources des signaux parasites sont majoritairement au sol, donc apparaissent à l’horizon dans nos détecteurs ; enfin, la plupart des parasites durent “plus longtemps” que les signaux de rayons cosmiques (quelques centaines de nanosecondes plutôt que quelques dizaines !).

Les milliards de particules qui apparaissent et disparaissent dans les gerbes atmosphériques conservent à travers leur propriétés les caractéristiques des rayons cosmiques qui les ont générées. Par conséquence, le signal radio produit par ces myriades de particules véhicule lui aussi ces caractéristiques.

CODALEMA s’attache à déterminer avec quelle précision le signal radio mesuré par ses antennes permet de déduire l’identité des rayons cosmiques arrivant dans le ciel de Nançay. La figure ci-contre illustre l’enregistrement d’un rayon cosmique dans l’ensemble des instruments de CODALEMA en superposant des informations relatives aux signaux observés (taille et couleur des symboles) à un schéma d’implantation des antennes sur tout le site de l’Observatoire Radioastronomique de Nançay.

Combiner a posteriori les signaux de plusieurs antennes est la clé permettant d’identifier et de caractériser efficacement les gerbes atmosphériques. Cette technique de détection se trouverait décuplée si l’on pouvait réaliser cette combinaison en temps réel en s’appuyant sur la direction d’arrivée de la particule générant la gerbe atmosphérique. Si les sources et les directions d’arrivée des rayons cosmiques sont malheureusement inconnues et donc imprévisibles, les sources des rayons gamma de haute énergie commencent à être cataloguées. CODALEMA cherche à mettre en œuvre cette idée en profitant des capacités des nombreux mini-réseaux du radio télescope NenuFAR.

– Une approche tout public sur les rayons cosmiques est disponible sur la page dédiée aux rayons cosmiques sur le site de laradioactivite.com

– L’article de Wikipédia sur le rayonnement cosmique propose une description plus détaillée et plus pointue des rayons cosmiques mais aussi des rayons gamma.

– Les derniers développements et résultats de CODALEMA constituent le cœur du document de thèse de doctorat de Antony Escudie. La lecture de ce gros document en anglais peut sembler ardue mais est particulièrement instructive.

– On trouve sur le site web historique de CODALEMA, plus d’information sur  les instruments, les publications, les thèses soutenues.