17 février 2016
Exploration de l'Univers chaud
Lancement du satellite d’astronomie X japonais Astro-H

Le satellite d’astronomie X Astro-H a été lancé avec succès par l’agence spatiale japonaise JAXA le 17 février à 17h45 (9h45 à Paris) depuis le centre spatial de Tanegashima au Japon. La mise à poste du satellite sur son orbite nominale s’est effectuée 14 min plus tard et les premières étapes de vérification des différents systèmes ont débuté. ASTRO-H est une mission JAXA/NASA avec un leadership japonais et une participation de l’ESA. Cet observatoire de nouvelle génération a pour objectif scientifique l’observation et l’étude de l’Univers chaud et énergétique. Astro-H embarque plusieurs instruments qui combinés couvrent la gamme d’énergie 0.3-600 keV. Parmi les instruments, le plan de détection du spectromètre SXS est équipé de matrices de microcalorimètres X, une première dans ce domaine. Ces détecteurs, refroidis à une température proche du zéro absolu, permettront d’atteindre des performances inégalées en terme de résolution spectrale, supérieure d’un ordre de grandeur aux instruments actuellement en opération. Le CEA participe à la mission via la contribution de l’ESA et du CNES, tant du point de vue expérimental que scientifique.

 

Une fois le satellite placé sur son orbite et selon une tradition japonaise, la JAXA a dévoilé le nom maintenant d'usage de la mission, "Hitomi".

 

 

Décollage de la fusée H-IIA le 17 février 2016 depuis le centre spatial japonais de Tanegashima (crédit: JAXA).

Le satellite Astro-H a été lancé avec succès par une fusée H-IIA de l’Agence spatiale japonaise à 8h45 Temps Universel (17h45  heure civile au Japon, 9h45 en France). 14 minutes après le décollage, la séparation avec le lanceur avait lieu. Le satellite rejoignait son orbite circulaire à 575 km d’altitude et suivant une inclinaison de 31 degrés. Sur cette orbite, la période de révolution autour de la Terre est de 96 minutes. Immédiatement, les premières opérations de vérifications des différents systèmes ont débuté. Elles se poursuivront pendant 2 semaines et seront suivies d’un programme d’étalonnage, pas à pas, des différents instruments selon un calendrier pré-défini. Une fois ces étapes franchies et validées, les observations scientifiques débuteront. La durée de vie de la mission est au minimum de 3 ans. Astro-H est le 6ème satellite japonais d’Astronomie X, dans la lignée des observatoires haute énergie de ce pays.

 

Objectifs scientifiques

Astro-H est une mission d’étude de l’Univers chaud et énergétique. Ses objectifs scientifiques portent sur l’observation et l’étude des grandes structures de l’Univers dont le gaz chaud situé dans les amas de galaxies et son interaction avec la matière noire. Il s’intéressera également à la formation et à l’évolution des trous noirs supermassifs au centre des galaxies et leur rôle dans la structuration de l’Univers. Astro-H étudiera l’évolution chimique des galaxies à grand redshift  et ses performances uniques en spectroscopie permettront d’examiner en détail les raies du fer dans les noyaux actifs de galaxie. Un autre axe de recherche repose sur l’étude des conditions extrêmes régnant dans les objets compacts, étoiles à neutron et trous noirs, et leur environnement. Les processus d’accélération de particules et les chocs dans les restes de supernova ou l’origine des rayons cosmiques figurent aussi parmi les objectifs scientifiques de la mission.

 

Un panel d’instruments

La charge utile de l’observatoire Astro-H est constituée de six télescopes dont quatre basés sur la focalisation du rayonnement et deux télescopes type Compton.
 
Le principe d’incidence rasante utilisé pour focaliser les rayons X requiert des distances focales adaptées suivant l’énergie des photons incidents. Il n’est pas possible de focaliser, avec un seul dispositif et une bonne efficacité, à la fois les photons de basse et de haute énergie. Pour couvrir la bande spectrale visée, 0.3-100 keV, l’équipe Astro-H  a scindé ce domaine d’énergie en utilisant deux types de miroirs.

Les deux télescopes X « mous » ou basse énergie (SXT) ont une focale de 6m, opèrent dans la gamme 0.3-12 keV et sont chacun équipé d’un plan de détection particulier. Le premier est un spectromètre  (SXS) innovant constitué de microcalorimètres X, des dispositifs qui mesurent l’infime élévation de température lorsqu’un photon incident interagit avec le matériau. Ce principe, utilisé avec succès dans le domaine de l’infrarouge lointain (Lien l’instrument Pacs de la mission Herschel), est ici appliqué en Astronomie X pour la première fois. Cette technique confèrera au spectromètre SXS une résolution spectrale nettement supérieure (quelques eV) à celle offerte par les télescopes Chandra, XMM-Newton ou NuSTAR actuellement en opération. Cette performance a néanmoins un coût : les détecteurs doivent être refroidis à une température de 50 milli-Kelvins au dessus du zéro absolu et maintenu dans cet état pendant au moins 3 années, durée minimale de la mission.
Le deuxième télescope X basse énergie est dévolu à l’imagerie et est équipé au foyer de quatre caméras CCD X. Cet équipement est appelé SXI pour Soft X-ray Imager et offre une résolution spatiale modérée, de l’ordre de la minute d’arc.

 

A gauche, représentation graphique de la charge utile du télescope Astro-H. Les miroirs sont disposés sur une plateforme situé une extrémité du satellite. Le premier plan focal, situé à 6 mètres, abritent les instruments basse énergie (SXI et SXS) et les 2 détecteurs SGD (Soft Gamma-ray Detector). Les deux instruments haute énergie HXI sont quant à eux situés sur une plateforme à l’extrémité d’un mât extensible. La coiffe de la fusée limite les longueurs de la charge embarquée. Or les instruments HXI requièrent une distance focale importante, 12 mètres. Ce problème est résolu par l’utilisation d’un mât extensible (EOB), déployé une fois le satellite placé sur son orbite. Le contrôle fin de la longueur du mât est assuré par un système laser. A droite, le satellite avant une phase de tests de vibration. Une fois mis à poste dans l’espace, le satellite d’un poids total de 2700 kg mesurera 14 mètres de long. (crédits : JAXA)

Les deux télescopes haute énergie (HXT) possèdent, quant à eux, des miroirs de conception différente. Avec une focale de 12 m, ils sont équipés chacun d’un plan de détection hybride silicium-tellurure de cadmium (CdTe) sensible dans le domaine 5-80 keV. La résolution spatiale des deux imageurs HXI est de l’ordre de la minute d’arc.

Deux imageurs « gamma mou » (SGD ou Soft Gamma-ray Detector) identiques complètent la panoplie d’instruments et couvrent la gamme d’énergie 60-600 keV. Ces instruments n’utilisent pas de télescopes à focalisation, principe impossible à appliquer aujourd’hui à ces énergies, mais sont des mini-télescopes Compton basés sur des détecteurs Silicium et CdTe.

 

La Contribution du CEA

Le CEA participe à la mission Astro-H via la contribution de l’ESA, autant dans sa préparation technique et son suivi que sous l’aspect scientifique. Deux équipes du CEA-Irfu (le Service d'Astrophysique – SAp et le Service d'Électronique des Détecteurs et d'Informatique – Sédi) ont été impliquées dans les instruments HXI (Hard X-ray Imager) et SGD (Soft-Gamma-ray Detector). Avec le soutien de l’ESA, ils ont mené des études des effets de radiations sur ses éléments les plus critiques, c’est-à-dire leurs circuits électroniques frontaux (ASICs) et leurs détecteurs à base de cristaux CdTe. Le CEA a fourni des cristaux BGO pour les systèmes d’anticoincidence des instruments HXI et SGD. Dans le cadre de l’étude du comportement des matériaux BGO et CdTe, les équipes ont effectué des tests de radiation au proton. Cette activité est une retombée de l’expertise des laboratoires dans le domaine de la tenue des détecteurs à l’environnement spatial.

 

Le Service d’Astrophysique est responsable dans le cadre de sa participation à la mission de l’étude du comportement à long terme, une année, des détecteurs CdTe du HXI. Le but est de vérifier dans les conditions spatiales la stabilité des différents composants. Pour ce faire, le laboratoire a développé un banc de mesure qui inclut une enceinte à vide refroidie à -15 degrés Celsius dans laquelle sont installés le détecteur et l’électronique associée (photo de gauche). Le détecteur testé est une fraction (1/16ème) de la surface totale du plan de détection HXI et comprend 32x32 strips (bandes) CdTe. Il est visible sur l’image de droite sous la forme d’un carré 10x10 mm (en bas du cliché et en couleur dorée) ainsi que la connectique le reliant aux circuits électroniques frontaux (ASICs) de type IDeF-X. La procédure de test consiste notamment à couper chaque jour l’alimentation haute tension pendant 20 minutes et de mesurer ensuite les performances du détecteur. Ce cycle, effectuée périodiquement dans l’espace, est une étape indispensable pour permettre à ce type de détecteur de retrouver son fonctionnement optimal. (crédit photos : CEA-SAp/Daniel Maier)

Fort de son expertise dans le domaine, le CEA a conçu et réalisé une source d’étalonnage pour le contrôle en vol du gain des détecteurs du HXI. La très faible activité radioactive de la source (requise pour ne pas polluer au delà du raisonnable le faible signal des objets célestes) et la réalisation d’un système répondant aux contraintes de l’environnement spatial ont nécessité des développements originaux.

Les chercheurs du Service d’Astrophysique sont du côté scientifique impliqués, avec le soutien du CNES, dans deux domaines de recherche privilégiés: l’étude de la polarisation de la lumière dans les candidats trou noir et les pulsars et celle des régions centrales de la Galaxie. Ces deux thèmes de recherche, dans la continuité de ceux menés avec les données recueillies par les satellites Integral et XMM-Newton, trouvent avec les instruments HXI et SGD du satellite Astro-H des outils particulièrement bien adaptés. Les scientifiques du Service d’Astrophysique en tant que co-Investigateur (co-I) auront, en accord et sous responsabilité japonaise, un accès privilégié aux données durant les premières phases d’étalonnage de la mission.

 

Un observatoire ouvert à la communauté

Le satellite Astro-H est un observatoire ouvert à la communauté scientifique via des appels à proposition compétitifs. Néanmoins, les phases de la mission répondent à un calendrier défini par le consortium et obéissent à un certain nombre de règles tant sur le type de sources observées que sur l’accès aux données, réservé dans un premier temps aux membres du consortium Astro-H. Le calendrier des opérations s’étale sur quatre phases décrites ci-après (étape, fonction et pourcentage attribué, durée de la phase) :

-    Phase 0, Tests du satellite, étalonnage des instruments, 100%, 3 mois
-    Phase 1, Vérification des performances (PV), 100%, 6 mois
-    Phase 2, PV (25%), Guest Observation (GO)  (75%), 12 mois
-    Phase 3, PV (10%), GO (90%), reste de la mission

Le premier appel à proposition, ouvert à l’ensemble de la communauté scientifique, est attendu pour mi-2016 pour des observations début 2017.
Les données seront rendues publiques et accessibles à tout à chacun sur une base de données dédiée après une période propriétaire de un an.

 

Contacts : Olivier Limousin, Philippe Laurent

 

Voir          - Le communiqué du CEA (17 février 2016)

 

Documents : - Plaquette Astro-H (en français)
                      - Kit de presse Astro-H (en anglais)

Voir aussi : ASTRO-H: Préparation de la prochaine mission X et gamma japonaise (31 juillet 2014)
                  

Voir : Communication du Service d'Astrophysique



 

Rédaction : C. Gouiffès

 

Maj : 22/02/2016 (3715)

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