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Accueil > Recherche > Les Axes et Activités de Recherche > Expériences et Modélisation en Astroparticules (EMA) > CTA

Projet LIDAR

publié le , mis à jour le

Le LUPM est responsable de la mise au point d’un LIDAR de type Raman pour le monitorage de l’atmosphère sur site. Pour l’observation des rayons gamma de très haute énergie par technique Cherenkov, l’atmosphère est le calorimètre du détecteur : sa composition influe directement sur le développement des cascades électromagnétiques et sur la quantité de lumière Cherenkov produite puis transmise au sol.

Les limites actuelles sur la connaissance de l’atmosphère lors des prises de données Cherenkov sont responsables d’incertitudes systématiques de l’ordre de 20 % sur les paramètres scientifiques reconstruits (flux, indice spectral).

Les LIDAR de type Raman permettent de déterminer avec une grande précision l’épaisseur et la composition moléculaire des couches d’aérosols présents dans l’atmosphère de quelques centaines de mètres à plusieurs kilomètres d’altitude.

Des mesures de type Raman rendront possibles la création de modèles d’atmosphère conformes aux prises de données Cherenkov, avec pour objectif à la fois la réduction significative des incertitudes systématiques des analyses scientifiques de haut niveau à moins de 5 % et l’amélioration du cycle utile des télescopes via la récupération de lots de données qui seraient autrement écartés pour cause d’atmosphère non-standard.

Le LUPM a acquit une expérience et une reconnaissance internationale pour l’exploitation de ce type d’appareil. Depuis 2009 sur le site de l’expérience HESS, un LIDAR élastique, installé par l’équipe EMA du LUPM, est utilisé pour prendre des mesures de transparence de l’atmosphère de manière régulière et synchronisée avec les prises de données scientifiques des télescopes.

C’est donc naturellement que le LUPM s’est positionné dans CTA pour participer à un effort en commun avec deux autres laboratoires internationaux (IFAE/UAB en Espagne et CEILAP en Argentine) ayant pour but la réalisation d’un LIDAR de type Raman.

Un système LIDAR (Light Detection and Ranging) est composé d’une source de lumière laser pointée vers le ciel, d’un télescope permettant de collecter la lumière rétro-diffusée et de la concentrer vers un détecteur (généralement un tube photomultiplicateur), et d’une chaine d’électronique de lecture pour l’analyse du signal.

La prise de données se fait par pulses de lumière laser : le temps de retour des photons rétro-diffusés donne l’altitude à laquelle a lieu la diffusion, et la quantité de lumière donne l’intensité de la diffusion.

La diffusion des photons du laser peut être élastique (sans échange d’énergie, diffusion Rayleigh ou Mie) lorsque la longueur d’onde des photons est plus grande ou de l’ordre de grandeur de la dimension des molécules rencontrées, ou inélastique (les photons changent d’énergie donc de fréquence, diffusion Raman) lorsque la longueur d’onde des photons est plus petite que la dimension caractéristique des molécules.

Les LIDAR de type Raman, s’appuyant sur la diffusion inélastique, utilisent généralement de trois à six longueurs d’onde, et nécessitent un système de filtres utilisés pour sélectionner en retour les longueurs d’onde correspondants
aux différents types de molécules et/ou d’aérosols ; l’optique, la mécanique et la chaine d’acquisition sont donc bien plus complexes et onéreuses. Les mesures Raman permettent en revanche de déterminer de manière très précise la composition de l’atmosphère, et sa transparence.

Le LIDAR Raman développé au LUPM est aujourd’hui quasiment complet, et le choix d’avoir développé un système quasi-autonome enfermé dans un container, permet d’être en bonne position pour installer l’instrument sur site très rapidement, c’est-à-dire dès que l’aménagement du site proposera une infrastructure minimum. L’objectif principal est de commencer au plus tôt l’étude détaillée de l’atmosphère du site afin notamment d’acquérir une vision des variations saisonnières et annuelles.