Théorie : Gerbes cosmiques

Près d’un siècle après la découverte des rayons cosmiques, leur origine et leur nature constitue encore un des problèmes majeurs de l’astrophysique. La majorité d’entre eux est détectée à très grande distance par leur rayonnement électromagnétique, mais ceux qui atteignent la Terre jouent un rôle privilégié puisqu’on peut les observer quasi-directement. En particulier, les grandes gerbes produites dans l’atmosphère sont étudiées avec des détecteurs de particules géants de type Auger, ainsi que via la fluorescence et le rayonnement Cerenkov dans le domaine optique. La radioastronomie constitue une technique complémentaire, mais jusqu’à très récemment, les difficultés à la fois théoriques et expérimentales ont empêché d’analyser le phénomène, au point qu’il n’y a pas d’accord sur le mécanisme basique de l’émission.

Afin de comprendre le mécanisme d’émission, nous avons entrepris une étude analytique basée sur un modèle simplifié (Meyer et al. 2008). L’indice de réfraction de l’air, qui est généralement négligé dans les simulations numériques, joue un rôle majeur, puisque les particules de la gerbe se déplacent à une vitesse proche de la vitesse de phase des ondes. Une conséquence importante est la variation du champ avec les conditions atmosphériques. Nous avons calculé le champ Coulombien amplifié par la contraction relativiste et modifié par l’indice, et montré qu’il contribue de manière importante au signal, avec une amplitude et un spectre correspondant aux valeurs mesurées. Il s’agit d’un résultat important puisque cette contribution est négligée dans les simulations, qui se concentrent sur la contribution synchrotron. Nous avons également calculé le spectre du champ Cerenkov, montré que les estimations basées sur les expressions classiques de l’énergie rayonnée ne sont pas applicables, et indiqué les conditions dans lesquelles la contribution Cerenkov est importante.

Côté instrumental, l’expérience CODALEMA a enregistré depuis mi-2007 des centaines d’événements validés qui ont permis d’établir des propriétés fondamentales de cette émission radio : i) proportionnalité de l’intensité radio avec l’énergie du primaire (Lautridou et al., NIM, 604, 13-19, 2008) ; ii) dépendance quasi-exponentielle de l’amplitude du champ électrique avec la distance à l’axe de la gerbe (Ardouin et al., NIM, 572, 481-482, 2007) ; iii) anisotropie dans les directions d’arrivée des gerbes qui produisent un signal radio (Ardouin et al., Astropart. Phys., 31, 192-200, 2009) ; iv) excentrement vers l’Est de la gerbe « radio » par rapport à la gerbe de particules (Lecacheux, et al., Proc. 31st ICRC, Lödz, 2009) (Bellétoile et al., submitted to Astropart. Phys., 2011). Grâce à un financement par la Région « Pays de la Loire », un ensemble de 60 dipôles croisés autonomes est en cours d’implantation à Nançay, afin de tester le déclenchement sur le signal radio lui-même sans recours aux détecteurs de particules.

Afin d’apporter une information sur la nature de la particule primaire, l’expérience CODALEMA est amenée à évoluer pour couvrir une surface (ou un volume) de détection beaucoup plus importante pour augmenter fortement l’accumulation d’événements. La détermination de la topologie la plus efficace est à l’étude, et inclut l’utilisation de capteurs radio en vol sur ballon captif (expérience GERBES3D au-dessus de Nançay, soutenue par la Division Ballons du CNES). L’étude des phénomènes transitoires en radioastronomie (contrepartie radio de sources γ, sursauts géants de pulsar…) est actuellement en plein développement. Les méthodes utilisées pour CODALEMA sont directement applicables ou adaptables à cette thématique. L’étude des phénomènes orageux dans la haute atmosphère (sylphes, elfes, TGF, …), leur couplage avec l’ionosphère et la magnétosphère terrestre et leur possible association avec les rayons cosmiques est une autre contribution « transversale » possible de l’instrument CODALEMA.