​Les télescopes Tcherenkov détectent au sol la lumière bleutée produite par l'interaction avec l'atmosphère des rayons gamma de très haute énergie. Afin de couvrir la totalité de la voûte céleste, deux réseaux de télescopes sont en cours d'installation par la collaboration CTA sur le plateau d'Armazones au Chili et sur l'Île de la Palma, aux Canaries. Au total, une centaine de télescopes permettra d'étudier les phénomènes cataclysmiques de l'Univers avec des performances dix fois supérieures à celles des instruments existants. Les premières lumières sont attendues dès 2020.

Les astrophysiciens de l'Irfu s'intéressent en premier lieu à la région centrale de notre galaxie. Elle recèle de mystérieuses éjections de matière (bulles de Fermi) découvertes en 2010. Des particules de matière noire pourraient par ailleurs s'y être accumulées et émettre des rayons gamma en s'annihilant. Enfin, des sources appelées « pevatrons » pourraient y accélérer le rayonnement cosmique galactique aux énergies les plus hautes, jusqu'à 1015 eV (PeV ou pétaélectronvolt).

Les chercheurs souhaitent aussi étudier les rayons gamma produits par des « duos » stellaires déjà observés en rayons X, où la surface d'une étoile est « aspirée » par une compagne, ancienne étoile devenue astre compact (naine blanche, étoile à neutrons ou trou noir).

CTA pourrait également éclairer diverses questions de physique fondamentale comme les tests de l'invariance de Lorentz ou la recherche de nouvelles particules légères (axions), en étudiant les noyaux actifs des galaxies et le fond de lumière extragalactique.

Enfin, CTA permettra de rechercher avec une sensibilité inégalée les contreparties à très haute énergie des sursauts gamma et des ondes gravitationnelles observés par d'autres instruments.