AMS-02 : 10 ans d’analyse des rayons cosmiques à bord de la Station spatiale internationale

Astroparticules et cosmologie

Le 19 mai 2011, après avoir décroché in extremis son ticket à bord du dernier vol de la navette américaine Endeavour, le spectromètre AMS-02 détectait ses premiers rayons cosmiques depuis la Station spatiale internationale. La mission de cet énorme instrument de 8,5 tonnes : analyser avec un détail jamais atteint la nature et l’abondance des noyaux et particules élémentaires qui sillonnent le Cosmos. Et peut-être démontrer pour la première fois l’existence de particules de matière noire ou celle d’anti-étoiles. Retour sur 10 ans de traque avec Laurent Derome, enseignant-chercheur au LPSC et responsable AMS France.

Laurent Derome
Laurent Derome, responsable AMS France :
« AMS a détecté plus de 180 milliards de particules depuis sa mise en service ».

Quel portrait du rayonnement cosmique peut-on dresser au bout de ces 10 ans d’observation avec AMS-02 ?

Depuis sa mise en service, AMS a détecté plus de 180 milliards de particules. Ce sont des particules chargées relativistes, créées et accélérés lors de processus associés à l’explosion d’étoiles et qui se sont propagées dans la Galaxie jusqu’à nous. On y trouve tous les éléments produits par les étoiles, principalement des protons, des noyaux d’hélium, et des éléments plus lourds. Chacun raconte une histoire différente selon sa source et sa propagation dans le milieu interstellaire. Leur étude nous renseigne aussi sur les processus physiques à l’origine du rayonnement cosmique que l’on mesure.

Où en est AMS de sa quête de la matière noire ?

On s’attend à ce que les particules de matière noire qui s’annihilent produisent des particules d’antimatière comme les positrons et les antiprotons. Nous recherchons donc des excès inexpliqués dans les flux de ces particules. Pour les antiprotons nous n’avons rien observé d’anormal. Leur flux s’explique très bien en prenant en compte les phénomènes connus. En l’occurrence, nous pensons que ce sont des antiprotons produits lors de l’interaction des rayons cosmiques avec le milieu interstellaire. Par contre, pour les positrons, il y a un excès inexpliqué très important, qui pourrait s’interpréter comme une preuve de présence de matière noire. Mais cet excès peut aussi s'expliquer par la contribution de pulsars proches qui sont des sources « naturelles » de positrons et il semble difficile d'écarter cette hypothèse.

L'instrument AMS-2 fixé sur le bras de la Station spatiale internationale
L'instrument AMS-02 fixé sur le bras de la Station spatiale internationale. Crédit image : NASA.

Y a-t-il eu d’autres avancées marquantes ?

Il se pourrait que nous ayons détecté quelques anti-héliums, parmi les plusieurs milliards d’atomes d’hélium observés. Cette détection, si elle était confirmée, serait extraordinaire, car elle signerait l’existence d’anti-étoiles, des étoiles entièrement constituées d’antimatière. Pour infirmer ou confirmer l’existence de ces candidats, il faudrait en détecter un plus grand nombre mais aussi améliorer notre connaissance de l’instrument car le taux d’événement est tellement faible que l’on ne peut pas écarter aujourd’hui qu’un phénomène instrumental mal compris soit à l’origine de cet excès.

Quelle a été l’implication de l’IN2P3 tout au long de la collaboration ?

Trois laboratoires de l’institut se sont impliqués dans la conception de détecteurs différents : le LAPP, le LUPM et le LPSC. Le LAPP a travaillé sur le calorimètre électromagnétique d’AMS. Cet instrument mesure l’énergie des électrons et des positrons dans le rayonnement cosmique. A cela, s’ajoute le détecteur Tcherenkov RICH sur lequel le LPSC a œuvré. Celui-ci analyse les noyaux du rayonnement cosmique et leur vitesse. La combinaison des données des instruments permet de qualifier dans le détail les composants du rayonnement cosmique. Finalement, le LUPM a contribué sur des systèmes périphériques comme le StarTracker et le GPS du spectromètre, qui permettent respectivement de pointer le détecteur précisément dans le ciel et de placer les événements dans le temps. Après le lancement, le LAPP et le LPSC ont fortement contribué à l’analyse de données. Il ne faut d’ailleurs pas négliger la participation notable du centre de calcul de l’IN2P3, qui héberge une partie des données de l’expérience, participe à l’effort de simulation, et surtout offre aux physiciens une grande capacité de calcul pour mettre en œuvre leurs analyses et participer au retour scientifique de l’expérience.

Comment se porte AMS-02 après ses 10 ans de service ?

L’instrument se porte très bien, mais nous avons quand même eu un problème imprévu majeur qui a bien failli nous coûter la mission ! Les pompes du système de refroidissement du trajectographe, qui font circuler du CO2 liquide, sont tombées en panne les unes après les autres, toutes victime de la même défaillance ! En orbite, ce genre de problème est tout de suite très compliqué à gérer et AMS aurait été perdu si la NASA n’avait décidé de voler à son secours. Un nouveau système de refroidissement à greffer sur le circuit existant a donc été conçu. Ce fut très long et compliqué à mettre en œuvre, car l’opération n’avait pas du tout été anticipée, mais heureusement AMS a tenu le coup jusqu’au dernier moment, en subsistant sur une seule pompe. La mise en place du nouveau système a nécessité quatre longues sorties extravéhiculaires menées par les astronautes de la Station spatiale. L’opération a été un succès total et depuis le système fonctionne parfaitement.

AMS spacewalk
Opération de remplacement des pompes d'AMS en 2019. Crédit image : NASA.

Combien de temps la mission doit-elle encore se prolonger ?

L’objectif est de continuer à fonctionner tant que la Station spatiale internationale restera en orbite et essayer de collecter le plus d’événements possible pour renforcer les données statistiques et en tirer des enseignements. De plus, la mesure sur un temps long permet de comprendre l’influence de l’activité solaire sur le rayonnement cosmique. En parallèle, et même après 10 ans de fonctionnement, nous cherchons toujours à mieux comprendre notre instrument ou à développer de nouvelles techniques d’analyse pour optimiser les mesures et en tirer le meilleur, par exemple pour mieux identifier les isotopes, monter en énergie ou mesurer des éléments plus lourds. J’espère que d’autres projets prendront ensuite la relève. Mais AMS-02 a placé la barre très haute en termes de performance et de technique, et la nouvelle génération devra faire au moins 10 fois mieux. Certains projets très ambitieux ont déjà été proposés lors d’appels à projets de l’ESA, comme AMS-100 ou Aladino, mais à ce jour ils sont toujours dans les cartons.

En savoir plus

Le site de présentation d'AMS : https://ams02.space/fr

 

Contact

Laurent Derome
Directeur adjoint du LPSC et responsable AMS France
Vincent Poireau
DAS Astroparticules et cosmologie
Agathe Delepaut
Chargée de communication