Détecter l’émission diffuse Galactique dans le domaine de Très Haute Énergie – VHEDiffuse

L’émission diffuse Galactique domine le ciel au Gigaelectronvolt (GeV) et fut mise en évidence avant la découverte des premières sources individuelles de rayons gammas. Elle constitue notre principale source d’informations sur les interactions des rayons cosmiques et les processus de rayonnement de très haute énergie. Au GeV, elle constitue encore maintenant la limite systématique de détectabilité des sources au voisinage du seuil de l’instrument. À la différence du GeV, la recherche d’émission diffuse au Teraelectronvolt (TeV) en est encore à ses débuts, en particulier à cause du fond dominant de particules chargées qui constitue le défi instrumental majeur pour la technique Tcherenkov atmosphérique. Pourtant, une émission diffuse dans le domaine de très haute énergie est attendue à l’échelle de la Galaxie, via l’interaction des protons et noyaux avec le gaz interstellaire et des électrons par diffusion Inverse Compton sur les champs de radiation interstellaire. Une émission plus localisée est prédite au voisinage des accélérateurs dans des nuages moléculaires ou des champs de radiation nettement plus denses, les processus radiatifs signant alors l’échappement des particules hors de la région d’accélération. Cette fenêtre ultime sur l’Univers, appelée astronomie de Très Haute Energie (THE), fut ouverte par le réseau de télescope H.E.S.S., une avancée majeure reconnue par l’octroi des prix Descartes en 2006 puis Rossi en 2010. L’un des principaux succès de H.E.S.S. est la cartographie des régions internes de notre Galaxie, au cours de laquelle plus de 50 nouvelles énergétiques furent découvertes.
Le projet proposé se propose d’établir l’existence et de caractériser l'émission diffuse au TeV. Les observations de H.E.S.S. seront comparées avec les prédictions d’un modèle d’émission diffuse qui sera développé spécifiquement pour le projet. Du coté expérimental, les études permettront de repousser les limites en sensibilité et en résolution de l’imagerie Tcherenkov atmosphérique à travers le développement d’une méthode de reconstruction plus précise et d’une soustraction de fond plus efficace. Une modélisation poussée du bruit de fond de particules chargées et le développement d’une analyse par maximum de vraisemblance, totalement nouvelle dans le domaine THE, sont proposées. Les effets systématiques induits sur l’instrument par le champ magnétique terrestre et les variations de luminosité du ciel nocturne seront traités avec un soin particulier. La construction d’un modèle de fond diffus au TeV représentera un défi particulier du fait de phénomènes en compétition tels que la dépendance en énergie de l’échappement des particules en dehors des régions d’accélération ou le transport de particules à l’échelle Galactique.
La détection et l’étude de l’émission diffuse THE constitueront une avancée scientifique majeure, permettant à la communauté de poursuivre l’étude de la propagation des particules dans la Galaxie jusqu’au genou (1015 eV) ainsi que des modes de libération des particules dans le milieu interstellaire. Elle permettra une connexion plus fine avec les mesures au GeV en exploitant des techniques d’observation radicalement différentes – création de paires en satellite vs. détection indirecte des cascades au sol – autorisant ainsi des études à grande échelle affranchies des sources particulières. L’intensité et la dépendance en énergie des différentes composantes de l’émission diffuse étendront ainsi le domaine d’étude des processus physiques jusqu’aux énergies les plus élevées. La caractérisation du fond irréductible de gammas préparera l’installation de CTA en fournissant une limite ultime de détectabilité, et permettra la recherche d’un éventuel signal d’annihilation de WIMP au voisinage de l’énergie de masse. Ce projet permettra enfin de généraliser les études actuelles à des populations entières de source, et donnera accès, pour la première fois, à une estimation de la contribution des sources non résolues de façon cohérente.