dans la proc´edure d’alignement
Les ´etudes de cette configuration acoustique `a cinq lignes ont non seulement permis de mettre en ´evidence des difficult´es `a d´eterminer la valeur de vitesse du son appropri´ee mais aussi (et surtout) d’estimer la pr´ecision du syst`eme acoustique en calculant les r´esidus en distance, d´efinis comme les diff´erences entre distances mesur´ees et calcul´ees (`a partir des positions triangul´ees). Les r´esidus en distances sont toujours inf´erieurs ou ´egaux `a 6 cm dans cette configuration et valident alors les requˆetes de pr´ecision de positionnement qui ´etaient de l’ordre d’une dizaine de centim`etres. Ces valeurs peuvent ˆetre consid´er´ees comme limites sup´erieures des r´esidus en distances c’est-`a-dire des erreurs acoustiques car elles ne peuvent ˆetre qu’am´elior´ees dans une configuration impliquant des points fixes suppl´ementaires.
L’influence de la vitesse du son a aussi ´et´e examin´ee et s’av`ere significative sur les mesures d’altitudes (la diff´erence atteignant 30 cm en haut de ligne pour une variation de 1m.s−1 sur la c´el´erit´e). L’effet dans le plan horizontal est toutefois inf´erieur `a 1 cm comme dans le cas d’un coefficient de l’Unesco modifi´e. Les comparaisons effectu´ees sur les donn´ees acoustiques `a diff´erentes ´etapes mettent en avant une coh´erence de l’´echantillon consid´er´e et donc la robustesse de la m´ethode.
Les donn´ees acoustiques obtenues apr`es cette proc´edure sont utilis´ees en association avec les donn´ees des inclinom`etres-compas dans un ajustement global des formes des lignes. Cet ajustement d´erive des mod`eles hydrodynamiques de d´eform´ee de ligne caus´ee par le courant marin et est de la forme suivante :
r = (az − b.ln(1 − cz))v2 (3.18)
avec a, b et c les valeurs de la param´etrisation issue du mod`ele et de mesure d’essai du comportement hydrodynamique d’un ´etage de ligne en bassin et v, la vitesse du courant marin. Chaque ´etage comporte un inclinom`etre-compas alors qu’il n’y a qu’un hydrophone par secteur. N´eanmoins, la pr´ecision des donn´ees des hydrophones ´etant bien meilleure que celle des inclinom`etres, l’acoustique apporte beaucoup `a la pr´ecision de l’alignement.
3.6. CONCLUSION ET INT ´EGRATION DES DONN ´EES ACOUSTIQUES DANS LA PROC ´EDURE D’ALIGNEMENT125 La figure 3.41 illustre un bon accord entre acoustique et inclinom`etres mais ´egalement
la pr´ecision des mesures acoustiques qui justifie le fait qu’inclure les donn´ees acoustiques dans la proc´edure d’alignement permet incontestablement d’am´eliorer la pr´ecision sur la reconstruction des formes de lignes.
Fig. 3.41 – D´eplacements horizontaux de l’hydrophone sup´erieur de la ligne 4 provenant de l’acoustique seule (en noir) et des inclinom`etres seuls (en rouge). La coh´erence entre acoustique et inclinom`etres est d´epeinte sur cette figure ainsi que la pr´ecision des mesures acoustiques en comparaison de celle des inclinom`etres.
Une quantification de l’influence des incertitudes acoustiques, provenant de la vitesse du son ou des distances par exemple, sur la pr´ecision de reconstruction des trajectoires des muons est cependant rendue difficile par les nombreuses ´etapes entre l’acoustique et la reconstruction, `a commencer par l’alignement. Ainsi, l’estimation des erreurs est r´ealis´ee pas `a pas, ´etape par ´etape. Chaque ´etape donne lieu `a une ´etude particuli`ere. C’est pourquoi cette ´etude traite uniquement de l’acoustique. Une ´etude plus compl`ete des incertitudes provenant de l’alignement sur la reconstruction est actuellement en cours au sein de la collaboration.
Troisi`eme partie
ANTARES et les Sursauts Gamma
Chapitre 4
Sursauts Gamma et Neutrinos
L’astre est-il le point fixe en ce mouvant probl`eme ? Ce ciel que nous voyons fut-il toujours le mˆeme ? Le sera-t-il toujours ?
V. Hugo Les Contemplations
Les sursauts gamma sont les ph´enom`enes les plus violents et les plus lumineux connus dans l’Univers. Durant quelques secondes, ils inondent le ciel de leur radiation jusqu’`a masquer des sources extrˆemement lumineuses. L’´energie ´electromagn´etique ´emise lors d’un seul sursaut gamma ´equivaut `a celle produite par le Soleil durant quelques dix milliards d’ann´ees (soit approximativement l’ˆage de l’Univers). Ils apparaissent `a une fr´equence de quelques-uns par jour dans tout l’Univers (fr´equence observationnelle). Jus-qu’`a r´ecemment, ils n’´etaient observ´es que dans le domaine gamma, ce qui ne permet-tait pas de connaˆıtre avec pr´ecision les prog´eniteurs de tels ´ev´enements cataclysmiques. Cependant, depuis peu, des observations multi-longueur d’onde ont permis et devraient permettre de consid´erables avanc´ees dans la compr´ehension de ces ph´enom`enes.
4.1 D´ecouverte et histoire des sursauts gamma
Les premiers sursauts gamma ont ´et´e observ´es par les satellites am´ericains Vela en 1967. Ces appareils ´etaient initialement destin´es `a la surveillance d’´eventuelles explosions nucl´eaires sur Terre ou dans l’espace qui violeraient le trait´e d’interdiction des essais nucl´eaires (Nuclear Test Ban Treaty) d´ecid´e par les pays munis de l’arme nucl´eaire (Etats-Unis ; URSS ; Grande Bretagne ; France et Chine `a partir des ann´ees 60) dans le contexte historique de la Guerre Froide. Ces myst´erieux flashs de rayons gamma furent finalement attribu´es `a des ph´enom`enes cosmiques catastrophiques et rendus publics seulement en 1973 [53]. Les sursauts gamma donn`erent lieu `a de nombreux articles mˆeme si aucune avanc´ee notable ne marqua les 25 ann´ees suivantes.
Une ´etape majeure fut franchie en 1991 lors du lancement du satellite Compton Gamma-Ray Observatory (CGRO) [54]. L’instrument Burst And Transient Source Ex-periment (BATSE) qui s’y trouvait a permis de scruter le ciel durant neuf ans et d’´etablir
ainsi, grˆace `a une pr´ecision de positionnement de 2.5o, la premi`ere distribution spatiale de sursauts gamma (Figure 4.1). La distribution des 2704 sursauts observ´es par BATSE apparaˆıt isotrope permettant ainsi de rejeter une origine purement galactique des sursauts gamma. Si c’´etait le cas, les sursauts ne seraient distribu´es que dans le plan galactique. Or, cette distribution ´etant anisotrope, une origine extragalactique ou bien une distribution du halo galactique ´etendue pouvaient ˆetre envisag´ees. Si les sursauts gamma apparaissent `a des distances cosmologiques, les flux observ´es impliquent, au niveau de la source, des ´energies consid´erables.
Fig.4.1 – Carte du ciel des sursauts gamma vus par BATSE (la couleur indique la fluence)
Un nouveau pas fut r´ealis´e lorsque le satellite italiano-hollandais Beppo-SAX, mis en orbite en 1996, d´etecta en 1997 une contrepartie X apparaissant quelques heures apr`es le sursaut gamma GRB 970228 [55] (voir figure 4.2). Une contrepartie optique fut observ´ee quelques heures apr`es permettant de d´efinir un redshift de 0.835 correspondant `a une source situ´ee `a 0.5 Gpc, confirmant l’origine cosmologique des sursauts. Ces contreparties, qui peuvent s’´etendre jusqu’au domaine radio et qui peuvent durer de quelques minutes `a plusieurs semaines (voire plus), sont couramment nomm´ees ”afterglow” ou ”´emission r´emanente” et ont permis d’identifier, `a partir de la mesure du redshift, les galaxies hˆotes des sursauts dans quelques cas. L’ann´ee suivante, alors que tous les sursauts apparaissent `a des distances cosmologiques, le GRB980425 semble anormalement proche (z=0.0085). Il semble de plus associ´e `a la supernova 1998bw de type Ic. Le satellite HETE-2, au travers de l’observation des afterglows de fa¸con plus syst´ematique, localisa le sursaut
4.1. D ´ECOUVERTE ET HISTOIRE DES SURSAUTS GAMMA 131 gamma GRB030329 qui fut associ´e sans aucune ambiguit´e `a une supernova (SN2003dh) de type Ic [56] (associ´e `a l’effondrement d’une ´etoile de Wolf-Rayet ayant perdu son enveloppe d’hydrog`ene et d’h´elium) dont le redshift ´etait ´egal `a 0.168, marquant ainsi la premi`ere association SN/GRB, caract´eristique dont l’effet syst´ematique est encore `a l’´etude actuellement. HETE-2 permit ´egalement d’identifier une nouvelle cat´egorie de sources : les ”X-ray flashes” (XRF), sorte de sursauts gamma aux spectres moins durs.
Fig. 4.2 – Evolution du flux dans la gamme d’´energie 2-10 keV pour le GRB 970228 : premi`ere observation de r´emanence X par BeppoSAX [55]
Alors que les pr´ec´edents instruments ne r´ealisaient l’observation des ”afterglow” que, au mieux, une heure apr`es la d´etection de l’´emission prompte, le satellite Swift [3], lanc´e en 2004, permet de combler le vide dans le spectre entre la premi`ere minute et les quelques heures suivant la d´etection et donc d’´etudier la transition entre l’´emission prompte et l’´emission r´emanente. L’instrument de d´etection de l’´emission prompte, Burst Alert De-tector (BAT), a une sensibilit´e s’´etendant de 15 `a 150 keV et permet le pointage dans les 100 secondes qui suivent des deux instruments de mesure des contreparties respectivement X et UV-optiques, XRT et UVOT. Un positionnement d’une pr´ecision allant de 1 `a 4 mi-nutes d’arc peut ˆetre atteint dans les secondes suivant la d´etection. Par cette observation optimis´ee de la r´emanence, de nombreux redshifts peuvent ˆetre mesur´es avec pr´ecision, notamment pour certains sursauts courts. Or, aucun afterglow de sursaut gamma court n’avait ´et´e observ´e avant Swift ! Alors que le redshift moyen des sursauts longs semble approcher 2 (voir figure 4.9), celui des sursauts courts est compris entre 1 et 1.5 (pour 3 sursauts) [57], [58], [59].
Dans le futur, le satellite Gamma-Ray Large Area Space Telescope GLAST [4], lanc´e en juin 2008 pour une dur´ee de cinq ans, permettra d’´etudier la composante haute ´energie de nombreux ph´enom`enes au moyen de l’instrument Large Area Telescope (LAT) dont la sensibilit´e s’´etend de 20 MeV `a 300 GeV et permettant un positionnement de la source avec une pr´ecision de 15 minutes d’arc. Un autre instrument, GLAST Burst Monitor (GBM), sensible dans la gamme d’´energie X et γ soit entre 8 keV et 25 MeV, est d´edi´e `a la recherche
de sursauts gamma. La d´etection d’environ 15 sursauts par an est attendue `a partir des observations de cet appareil. Les donn´ees de GLAST sont attendues avec impatience par la communaut´e scientifique car elles devraient permettre de consid´erables avanc´ees dans la compr´ehension des m´ecanismes d’acc´el´eration et dans l’´etude de la composante haute-´energie des ph´enom`enes ´eph´em`eres tels que les sursauts gamma, du fait de la gamme de sensibilit´e tr`es large.
Parall`element, l’observation multi-messager notamment par les neutrinos apporterait une preuve univoque de l’existence de processus hadroniques au sein de ces ph´enom`enes ´eph´em`eres. Cette approche sera d´etaill´ee plus tard.