Les accélérateurs cosmiques et les phénomènes associés peuvent être sondés à l'aide de rayons gamma à très haute énergie (VHE), c'est-à-dire dans la gamme d'énergie 100 GeV - 100 TeV. Les rayons gamma VHE sont si rares que leur détection nécessite des zones de collecte de plusieurs dizaines d'hectares (~10^5 m^2), bien au-delà de ce qui est réalisable avec des instruments à bord des satellites (~1m^2).

En tirant parti de l'effet Cherenkov, les observatoires au sol H.E.S.S et CTA peuvent atteindre ces vastes zones de collecte simplement, en utilisant l'atmosphère dans le cadre de l'instrument. Les rayons gamma, et plus généralement les rayons cosmiques chargés (ions ou électrons) qui frappent l'atmosphère terrestre interagissent avec les noyaux d'azote et d'oxygène et déposent leur énergie en générant des cascades de particules - appelées gerbes atmosphériques. Les particules de gerbe sont si énergétiques (ou ultra-relativistes) qu'elles vont plus vite que la lumière dans l'atmosphère. Cela crée une onde de choc électromagnétique le long de la trajectoire des particules, qui se manifeste par une émission de lumière ultra-brève, un phénomène connu sous le nom de lumière Cherenkov. Les télescopes sont conçus pour collecter cette lumière à l'aide de caméras à vitesse d'obturation ultra-rapide. Ces derniers sont généralement constitués d'un réseau de tubes photomultiplicateurs (PMT) ou de photomultiplicateurs au silicium (SiPM).

Les images d'une même gerbe recueillies par plusieurs télescopes sont utilisées pour reconstituer la direction et l'énergie initiales des particules, mais aussi pour estimer sa probabilité d'être un véritable rayon gamma afin de rejeter le fond de rayons cosmiques chargés.

H.E.S.S.

Le système stéréoscopique à haute énergie (H.E.S.S.) est un réseau de 5 télescopes imageurs Cherenkov opérant depuis 2002 dans les hautes terres de Khomas en Namibie. La collaboration HESS se compose de plus de 200 scientifiques d'Allemagne, de France, du Royaume-Uni, de Namibie, d'Afrique du Sud, d'Irlande, d'Arménie, de Pologne, d'Australie, d'Autriche, des Pays-Bas, du Japon et de Suède, soutenus par leurs agences et institutions de financement respectives. Le réseau H.E.S.S se compose de quatre télescopes de 13 mètres de diamètre, chacun équipé d'une caméra rapide de 960 pixels (tubes photomultiplicateurs ou PMT) et entourant un grand télescope avec une parabole de 28 mètres et une caméra haute résolution 2000 PMT. L'équipe APC est l'un des principaux groupes contributeurs au projet H.E.S.S depuis sa conception à la fin des années 1990 et est impliqué dans de nombreux sujets scientifiques étudiés avec cette installation majeure dans le domaine VHE et à travers des observations multi-longueurs d'onde et multi-messagers, par ex. l'origine des rayons cosmiques, les mécanismes d'accélération, d'accrétion/éjection, les processus radiatifs et de propagation à l'œuvre dans divers objets astrophysiques de la Galaxie tels que les pulsars, les restes de supernova et les bulles, mais aussi au voisinage du trou noir central de la Galaxie ou à proximité de trous noirs super massifs et dans des jets de noyaux galactiques actifs, etc.

APC est impliqué dans le projet Cherenkov Telescope Array (CTA). Dans la continuité de la génération actuelle de télescopes gamma en fonctionnement, comme le réseau H.E.S.S en Namibie, CTA est un projet international mené par plus de 30 pays visant à construire le plus grand et le plus sensible observatoire gamma dans le très haut - gamme d'énergie (VHE, au-dessus de 30-100 GeV) avec des dizaines de télescopes prévus sur deux sites, un dans chaque hémisphère (île de La Palma, Espagne, et près de Paranal, Chili). Les membres d'APC sont activement engagés dans la préparation de la science avec le CTA, avec des intérêts majeurs pour la science galactique, par ex. SNR, pulsars, propagation et émission diffuse, recherche de PeVatrons, phénomènes de haute énergie au voisinage du Centre Galactique) ainsi que des sujets extragalactiques tels que les jets AGN, la variabilité blazar et la cosmologie des rayons gamma. L'équipe APC contribue au système appelé UCTS (Unified Clock distribution and Trigger time Stamping) conçu pour permettre la synchronisation des télescopes du réseau et fournir des horodatages précis. Pour mettre en œuvre le concept UCTS, APC a développé la carte TiCkS (Timing and Clock Stamping), basée sur le système White Rabbit (CERN).
   

Membres de l'équipe : Y. Beccherini, M. Cerruti,, A. Djannati-Ataï, S. Gabici, L. Giunti (Post-doc 2022), B. Khélifi, A. Lemière, A. Neronov, M. Regeard (PhD 2025), S. Pita, M. Punch, D. Semikoz, R. Terrier, S. Zouari (PhD 2022).

Anciens membres : J. Devin (Post-doc, 2021) M. Spir-Jacob (PhD 2019) A. Sinha (Post-doc, 2017-2018) CTA Observatory South site au Chili.

Première histoire du groupe

L'équipe VHE rayons gamma d'APC (anciennement au laboratoire PCC du Collège de France) fait partie des fondateurs de ce domaine de recherche qui a commencé ses activités au milieu des années 1980 avec l'expérience THEMISTOCLE dans les Pyrénées françaises. Cette expérimentation a utilisé et recyclé l'infrastructure de l'ancienne centrale solaire Thémis. L'expérience ASGAT menée par le CEA se déroulait également sur le même site. Ces premières investigations ont abouti à la détection de la nébuleuse du Crabe dans la gamme TeV, confirmant sa première découverte dans la gamme VHE par l'expérience pionnière de l'observatoire Whipple, USA. L'équipe a ensuite contribué à la conception et à l'exploitation du projet CAT (Cherenkov Array at Themis), une parabole de 5 mètres de diamètre équipée d'une électronique rapide et d'une caméra haute résolution (600 photo-tubes), pour un télescope d'imagerie monoscopique Cherenkov avec la densité de pixels la plus élevée à ce jour.