CLAIRE : First Light of a Gamma-ray Lens
CLAIRE: Premières Lumières d'une Lentille Gamma
Résumé
Beyond X-rays, gamma-ray astrophysics provides a unique probe to study the most energetic phenomena in the Universe. Due to the difficulty of detecting cosmic gamma-rays, current technologies seem to have reach their limits. To overcome this issue, gamma-rays focusing appears now to be a promising way. The CLAIRE project is dedicated to demonstrating the interest of a gamm-ray lens for nuclear astrophysics, as well as measuring the performance of such an instrument and compare them to the theoretical predictions.
According to the laws of gamma-rays diffraction in crystal, the first lens for nuclear astrophysics had been developed at the CESR. The lens consist of about 560 germanium crystals, mounted on 8 concentric rings, diffracting an energy bandwidth of about 3 keV centered at 170 keV. The tuning of this lens in the laboratory required the development of specific systems and procedures. Besides, the data collected during this tuning allowed the determination of crystal characteristics, which were used for numerical simulations of the gamma-ray lens.
The gamma ray lens principle had also been tested by ground based measurements and by an observation of the Crab Nebula during a stratospheric flight. Ground based measurements, in the laboratory and with a source at a long distance, allowed the determination of the diffraction efficiency as well as the angular response. These results, in agreement with the numerical expectations, demonstrate the validity of the gamma-ray lens principles.
The analysis of the data obtained during the baloon flight lead to a 3 sigma detection of the diffracted signal. The results of the various experiments, on the ground and during the stratospheric flight, agree for a diffraction efficiency of 9±1% at 170 keV. In good agreement with the predictions, these results validate the concept of a gamma-ray lens for nuclear astrophysics and are the first steps to the development of a space instrument.
According to the laws of gamma-rays diffraction in crystal, the first lens for nuclear astrophysics had been developed at the CESR. The lens consist of about 560 germanium crystals, mounted on 8 concentric rings, diffracting an energy bandwidth of about 3 keV centered at 170 keV. The tuning of this lens in the laboratory required the development of specific systems and procedures. Besides, the data collected during this tuning allowed the determination of crystal characteristics, which were used for numerical simulations of the gamma-ray lens.
The gamma ray lens principle had also been tested by ground based measurements and by an observation of the Crab Nebula during a stratospheric flight. Ground based measurements, in the laboratory and with a source at a long distance, allowed the determination of the diffraction efficiency as well as the angular response. These results, in agreement with the numerical expectations, demonstrate the validity of the gamma-ray lens principles.
The analysis of the data obtained during the baloon flight lead to a 3 sigma detection of the diffracted signal. The results of the various experiments, on the ground and during the stratospheric flight, agree for a diffraction efficiency of 9±1% at 170 keV. In good agreement with the predictions, these results validate the concept of a gamma-ray lens for nuclear astrophysics and are the first steps to the development of a space instrument.
À l'extrémité du spectre électromagnétique observé, l'astrophysique gamma étudie les traces des phénomènes les plus violents de notre univers. Grâce aux instruments toujours plus perfectionnés, la recherche dans cette branche de l'astronomie est entrée dans un âge d'or, où les résultats quantitatifs et prédictifs ont succédé aux découvertes pionnières. Néanmoins, les techniques actuellement utilisées semblent avoir atteint leur limites avec la dernière génération de satellites d'observation. De nouveaux instruments gamma doivent donc être développés afin d'atteindre les résolutions angulaires et les sensibilités nécessaires à la confrontation des observations avec les prédictions théoriques.
Afin de franchir cette nouvelle étape, la focalisation des rayonnements gamma offre une voie aujourd'hui prometteuse. Dans cette optique, le projet CLAIRE a pour objectif de démontrer la faisabilité d'une lentille gamma pour l'astrophysique nucléaire, ainsi que de quantifier les performances d'un tel instrument et les comparer aux principes théoriques.
À partir des lois de la diffraction des rayons dans les cristaux, une lentille a donc été développée et mise au point au CESR. Cette intrument, focalisant une bande énergétique de quelques keV centrée sur 170 keV, est constituée d'environ 560 cristaux de germanium disposés sur 8 anneaux concentriques, dont le réglage en laboratoire a nécessité la mise en place de procédures et systèmes spécifiques. D'autre part, les mesures récoltées lors de ce réglage ont permis de déterminer différents paramètres cristallins, servant ensuite d'initialisation aux simulations numériques.
La validité du principe de lentille gamma a alors été testée par des mesures au sol ainsi que par une observation effectuée sur la nébuleuse du Crabe sous ballon stratosphérique. Les mesures sol ont permis de déterminer l'efficacité de diffraction de la lentille ainsi que sa réponse hors axe. Ces résultats valident les principes à la base de la lentille gamma.
D'autre part, le 14 juin 2001, la lentille gamma a été embarquée sous ballon stratosphérique, à 41 km d'altitude. Suite au traitement des données, le signal diffracté a pu être mis en évidence avec un niveau de confiance de 3 sigmas, correspondant à une détection d'environ 33 photons pendant une observation effective d'1h12.
Les différentes expériences, tant au sol que pendant le vol stratosphérique, s'accordent sur une efficacité de 10% à 170 keV. Conformes aux prédictions, ces résultats valident le concept de lentille pour l'astrophysique et ouvrent la voie au développement d'un instrument spatial.
Afin de franchir cette nouvelle étape, la focalisation des rayonnements gamma offre une voie aujourd'hui prometteuse. Dans cette optique, le projet CLAIRE a pour objectif de démontrer la faisabilité d'une lentille gamma pour l'astrophysique nucléaire, ainsi que de quantifier les performances d'un tel instrument et les comparer aux principes théoriques.
À partir des lois de la diffraction des rayons dans les cristaux, une lentille a donc été développée et mise au point au CESR. Cette intrument, focalisant une bande énergétique de quelques keV centrée sur 170 keV, est constituée d'environ 560 cristaux de germanium disposés sur 8 anneaux concentriques, dont le réglage en laboratoire a nécessité la mise en place de procédures et systèmes spécifiques. D'autre part, les mesures récoltées lors de ce réglage ont permis de déterminer différents paramètres cristallins, servant ensuite d'initialisation aux simulations numériques.
La validité du principe de lentille gamma a alors été testée par des mesures au sol ainsi que par une observation effectuée sur la nébuleuse du Crabe sous ballon stratosphérique. Les mesures sol ont permis de déterminer l'efficacité de diffraction de la lentille ainsi que sa réponse hors axe. Ces résultats valident les principes à la base de la lentille gamma.
D'autre part, le 14 juin 2001, la lentille gamma a été embarquée sous ballon stratosphérique, à 41 km d'altitude. Suite au traitement des données, le signal diffracté a pu être mis en évidence avec un niveau de confiance de 3 sigmas, correspondant à une détection d'environ 33 photons pendant une observation effective d'1h12.
Les différentes expériences, tant au sol que pendant le vol stratosphérique, s'accordent sur une efficacité de 10% à 170 keV. Conformes aux prédictions, ces résultats valident le concept de lentille pour l'astrophysique et ouvrent la voie au développement d'un instrument spatial.