La focalisation ?

Pour tous les t´elescopes pr´esent´es ici (Compton ou masque cod´e), la surface de d´e- tection est ´egale (ou sup´erieure) `a la surface de collection. D`es lors, l’augmentation de la sensibilit´e et/ou de la r´esolution angulaire, passant par l’augmentation de la surface de collection, induit une augmentation du bruit de fond interne des d´etecteurs. Ces instru- ments ont donc des limites intrins`eques, et seuls de nouveaux concepts pourront permettre d’allier une r´esolution angulaire inf´erieure `a la minute d’arc avec une sensibilit´e de raie meilleure que 10−6 _ph/s/cm2_.

Dans tous les autres domaines de longueurs d’onde (radio aux X), la focalisation permet de d´ecoupler la surface collectrice de la surface de d´etection, augmentant ainsi le signal sans accroˆıtre le bruit de fond. Pendant des d´ecennies, la focalisation des rayons γ a ´et´e consid´er´ee comme impossible, d’autres techniques devant alors ˆetre employ´ees. Depuis quelques ann´ees n´eanmoins, cet objectif ne semble plus hors d’atteinte. . .

Extension des miroirs X Dans le domaine X jusqu’`a quelques keV, la focalisation est possible grˆace `a des miroirs avec un excellent ´etat de surface (quelques nanom`etres

Fig. 1.8: Principe de la lentille γ. Les cristaux plac´es sur des anneaux concentriques focalisent le faisceau incident vers le d´etecteur. La surface collectrice (la lentille) pouvant ˆetre bien sup´erieure `a la surface du d´etecteur, un gain substantiel en sensibilit´e est alors r´ealisable.

d’erreur), utilis´es en incidence rasante. Ce type de miroir a d´emontr´e ses performances avec les satellites XMM et Chandra. Au-dessus de 10 keV et jusqu’`a 100 keV, des miroirs multicouches sont d´evelopp´es : exp´eriences ballons HEFT [Koglin et al., 2003], InFOCµS [Ogasaka et al., 2003] ou le projet satellite XEUS [Okajima et al., 2003]. Le principe de ces miroirs est de r´ealiser un empilement de couches fines (quelques centaines de µm) d’indices de r´efraction diff´erents. Le r´eseau ainsi d´efini permet la r´eflection des rayons X suivant la relation de Bragg. La bande passante de ces miroirs pourrait probablement ˆetre augment´ee jusqu’`a 200 keV [Windt et al., 2003], mais aucune technologie actuelle ne semble permettre de r´ealiser des miroirs focalisant au-del`a de cette limite. Ajoutons que l’angle d’incidence de tels miroirs devient extrˆemement faible `a ces ´energies. En cons´equence, la surface efficace par miroir est tr`es faible compar´ee `a sa surface “physique”. Cette technique requiert donc l’assemblage concentrique et pr´ecis d’un grand nombre de miroirs tr`es longs ainsi qu’une distance focale importante (plusieurs dizaines de m`etres).

La lentille gamma La lentille γ ´etant le sujet principal de ce manuscrit, nous ne la d´ecrirons pas en d´etail ici. Mentionnons simplement que son principe est bas´e sur la dif- fraction de Bragg sur des plans cristallins (une sorte de miroir multicouche `a l’´echelle atomique). Mont´es sur des anneaux concentriques, ils permettent de faire converger un faisceau γ incident, parall`ele, vers un point focal, o`u est plac´e le d´etecteur (cf. fig 1.8) [Smither, 1982]. La lentille γ est aujourd’hui le projet le plus abouti concernant la focali- sation des rayons γ au-dessus de 100 keV. Deux vols stratosph´eriques ont ´et´e effectu´es `a partir d’un prototype r´ealis´e `a l’Argonne National Laboratory et au CESR [Naya et al., 1996 ; Kohnle et al., 1998 ; Laporte et al., 2000] et ont d´emontr´e la validit´e du concept de lentille γ [Halloin et al., 2003a, 2004].

`

page 211) permettrait une observation simultan´ee dans deux bandes de 100 keV centr´ees sur la raie du 56_{Co `a 847 keV et la raie d’annihilation `a 511 keV, avec des sensibilit´es}

de quelques 10−7 _{`a 10}−6 _ph/s/cm2_{, une r´esolution angulaire de 1 minute d’arc et une}

r´esolution ´energ´etique de 0,2%.

La lentille de Fresnel Dans un avenir plus lointain, le projet de lentille Fresnel per- mettrait d’obtenir des r´esolutions angulaires et des sensibilit´es de plusieurs ordres de grandeurs meilleures que les t´elescopes actuels. L’indice de r´efraction des mat´eriaux pour les rayons γ est tr`es l´eg`erement inf´erieur `a 1. D`es lors, il est possible de les focaliser de mani`ere “classique” avec une lentille de Fresnel, le d´etecteur ´etant plac´e au foyer. Le seul point d´elicat d’un tel instrument est de maintenir le d´etecteur sur la ligne de vis´ee, en- viron 106 km derri`ere la lentille. Ce probl`eme n’est pas aussi insoluble qu’il n’y paraˆıt et doit aussi ˆetre r´esolu pour d’autres missions telles que le projet MAXIM d’interf´erom´e- trie X spatiale [Lieber et al., 2003]. Cette distance focale pose aussi des difficult´es dans la conception de tests au sol mˆeme si des solutions commencent `a ˆetre d´egag´ees [Skin- ner, 2001, 2002]. Les performances d’un tel instrument, prenant pleinement partie de la courte longueur d’onde des rayons γ, seraient sans commune mesure avec les capacit´es des t´elescopes actuels : efficacit´e de collection sup´erieure `a 90%, r´esolution angulaire de 0,7 micro-arc secondes, sensibilit´e de raie de 2 10−9 _ph/s/cm2 _{[Skinner et al., 2003].}

Chapitre 2

La lentille gamma

Nous venons de d´ecrire dans quel cadre se situe le d´eveloppement de la lentille gamma. Ainsi qu’il a d´ej`a ´et´e mentionn´e, la focalisation des rayonnements de hautes ´energies est une des voies les plus prometteuses dans le d´eveloppement des futurs instruments d’observation en rayonnement gamma. Dans ce chapitre, nous allons voir comment l’id´ee d’une lentille gamma a pris forme au CESR : des principes th´eoriques aux mesures en laboratoire de cette premi`ere lentille pour l’astrophysique des hautes ´energies.

2.1

Principes th´eoriques de la lentille

Afin de focaliser les rayonnements γ, il faut tout d’abord pouvoir les d´evier dans une direction bien d´etermin´ee. Les moyens de focalisation utilis´es actuellement pour l’observa- tion astrophysique sont inop´erants pour les photons de haute ´energie et il a donc longtemps ´et´e consid´er´e comme impossible d’utiliser une “lentille” pour observer des sources γ. Ce- pendant, pour ´etudier la structure cristalline de certains mat´eriaux, les cristallographes connaissent et utilisent depuis longtemps la diffraction des rayons X dans les cristaux. Ce ph´enom`ene, appel´e diffraction de Bragg, est `a la base de la lentille γ pr´esent´ee ici.