Développement d`un prototype de téléscope Compton et astronomie

Proposition de thèse 2017-2020
Centre de Sciences Nucléaire et de Sciences de la Matière (CSNSM)
CNRS/IN2P3 et Université Paris-Sud
91405 Orsay Campus
Equipe Astrophysique Nucléaire
Encadrement : Clarisse Hamadache et Vincent Tatische
contact : [email protected]
Développement d'un prototype de téléscope Compton et astronomie gamma
Le travail de thèse proposé s'inscrit dans le cadre du développement d'un nouvel observatoire spatial dans le domaine de l'astronomie gamma des moyennes énergies, pour
lequel le CSNSM joue un rôle moteur (co-PIship de la proposition M5 e-ASTROGAM).
Le projet de recherche et développement Compact Compton Telescope (COCOTE ; collaboration CSNSM, IPNO, APC, CEA/Irfu, IRAP) vise à construire un démonstrateur du
futur télescope spatial et à étudier ses performances. En juillet 2016, un premier prototype
de télescope gamma développé par la collaboration a été lancé dans la haute atmosphère
depuis la base du CNES d'Aire-sur-l'Adour. Pour cette expérience, la charge utile comprenait un assemblage de détecteurs au silicium fournit par le CEA/Irfu et un module
développé au CSNSM pour le calorimètre, constitué d'un cristal scintillant de bromure de
cérium (CeBr3 ) couplé à un photomultiplicateur à tube multi-anodes 64 voies. Le sujet
de thèse porte sur la réalisation d'un nouveau télescope intégré, de type Compton, dédié
à l'étude du rayonnement gamma de sources célestes et la préparation d'une nouvelle
expérience d'observation du ciel sous ballon stratosphérique.
Le doctorant travaillera tout d'abord sur le développement du calorimètre de l'instrument gamma, qui sera constitué de cristaux de CeBr3 couplés à des matrices de photomultiplicateurs silicium (SiPM) permettant de mesurer la distribution spatiale de la lumière
de scintillation et d'en déduire la position en trois dimensions du dépôt d'énergie dans le
cristal. De part leur compacité et leur robustesse, et du fait qu'ils ne sont alimentés qu'en
basse tension (quelques dizaines de volts), ces photodétecteurs devraient avantageusement
remplacer les traditionnels photomultiplicateurs à tube (PMT) pour une application spatiale. Il est à noter que pour ce travail de R&T, le doctorant bénéciera des moyens
matériels conséquents mis en oeuvre pour la conception et à la réalisation d'un prototype
de gamma camera portative ultra sensible, ComptonCAM, destinée à localiser et à caractériser des déchets radioactifs lors du démentèlement d'installations nucléaires. En eet,
le CSNSM en partenariat avec l'IPNO et deux PME, SYSTEL Electronique et THEORIS, a obtenu un nancement ANR/ANDRA sur 4 ans (2017-2021) pour développer et
commercialiser un instrument s'appuyant sur les technologies des détecteurs spatiaux en
astronomie gamma. En outre, le doctorant travaillera sur les objectifs scientiques de
l'expérience sous ballon stratosphérique qui sera proposée. Il étudiera en particulier la
sensibilité de l'instrument à la mesure de polarisation de l'émission du pulsar et de la
nébuleuse du Crabe, ainsi que la probabilité d'observer des évènements transitoires tels
qu'un sursaut gamma ou une éruption solaire en fonction de la durée du vol. Finalement,
il prendra part à la préparation du vol et, le cas échéant, au lancement de l'instrument
sous ballon stratosphérique.