Institut de Recherche sur les Lois Fondamentales de l'Univers

Voir le site http://herschel.cea.fr

Généralités

Thématique et contexte du projet Observation de l'Univers froid (et/ou) à grand "redshift". Le satellite Herschel est un observatoire de l'Agence Spatiale Européenne dont le lancement est prévu dans le courant de l'année 2007. Le satellite cryogénique emportera 3500 l d'Hélium superfluide pour une durée de vie prévue de 3,5 ans. Trois instruments se partagent le plan focal: PACS (photometre et spectro-imageur), dans la gamme 60-210 µm, SPIRE (photomètre et spectro-imageur), dans la gamme 200-650 µm, et HIFI spectomètre haute résolution dans des gammes choisies du submillimétrique.
Deux objectifs scientifiques principaux:
- Formation et évolution des proto-étoiles au sein des nuages moléculaires,
- Formation et évolution des galaxies dans un passé lointain (redshift: 1 à 5).

Localisation Le site d'observation sera une orbite proche du point de Lagrange L2 du système Terre-Soleil. Ce point situé à 1,5 millions de km de la Terre dans la direction anti-solaire assure un temps d'observation maximum et des perturbations extérieures faibles. Les "pollutions" lumineuses principales( Soleil-Terre-Lune) étant toutes situées dans la même direction, d'importants "temps de pose" pourront être dégagés en continu pour l'observation des sources de faible intensité.

Collaboration Le consortium PACS regroupe de nombreux laboratoires Européens menés par le groupe PI (Principal Investigator) au Max Planck de Munich.
En Allemagne les Max Planck de Heidelberg et Iéna sont également concernés.
En Belgique le groupe co-PI est a Louvain, avec des apports techniques du CSL à Liège .
L'Italie, l'Espagne et l'Autriche sont également impliqués.
En France le Dapnia/SAp à Saclay et l'observatoire de Marseille mènent une étroite collaboration scientifique.
Le photomètre de Pacs est réalisé par le SAp, les détecteurs qui le composent sont développés au Leti/SLIR à Grenoble.
Le cryoréfrigérateur à 300 mK est développé au Service des Basses Températures de la DSM à Grenoble.

Approche scientifique

Moyens d'investigation Un télescope de 3,5 m refroidi à 80 K dans l'espace devrait permettre de s'affranchir de toutes les contraintes imposées par l'atmosphère terrestre. L'instrument refroidi à 2 Kelvins devrait en outre nous donner la possibilité d'atteindre une sensiblitité inégalable depuis le sol sur toute la gamme spectrale allant de 50 à 200 µm. Pacs est composé d'un photomètre imageur et d'un spectromètre. Le photomètre est équipé de matrices de bolomètres et constitue la fourniture du Dapnia. Le spectromètre de Pacs d'une résolution de 3500 environ sera capable de donner accès à la connaissance de la chimie du milieu observé, et en particulier des constituants aussi présents dans notre atmosphère et habituellement inaccessibles depuis les observations au sol.

Instruments Pacs cumule deux fonctions séparées, un photomètre (imageur dans trois bandes 60-85 µm/85-130 µm et 130-210 µm), constitué par deux matrices de bolomètres, l'une de 2048 pixels, l'autre de 512 pixels fournis par le Dapnia, et un spectromètre à réseau (belgique) couplé à deux ensembles 16 x25 pixels de cristaux photoconducteurs (Allemagne).
Les matrices de bolomètres du Léti constituent le véritable "pas" technologique de l'instrument en décuplant le nombre de pixels des meilleures caméras de bolomètres développées ailleurs pour l'espace ou les observations du sol.

Spécificités Les matrices de bolomètres monolithiques (dont la géométrie et le mode de fonctionnement sont proche des CCD actuels), furent décrillées par tous les laboratoire concurrents à l'origine. L'absence de concentrateurs de lumière, de thermomètres en Germanium et de lecture par JFET choquait les utilisateurs habituels de cette gamme de longueur d'onde. Aujourd'hui, alors que tous les problèmes technologiques ont été résolus, la concurrence s'organise même chez les plus fidèles détracteurs.
Les principales spécificités des matrices de détecteurs sont: absorbtion du rayonnement dans une cavité resonnante ; Thermométrie haute impédance dans une structure "mesa" Silicium ; Circuits de lecture de type asics Cmos cascadés fonctionnant à 300mK et 2K; Multiplexage à 300mK.

Contribution du Dapnia

Responsabilités scientifiques et techniques Au Dapnia, le SAp organise la collaboration scientifique et technique du photomètre en France.
Le SAp à la responsabilité de la réalisation spatiale du photomètre (mécanique-thermique-électronique-optique). Une partie de l'électronique de vol est étudiée au Sédi(lecture des très basses températures) et les cartes produites viennent compléter celles du SAp destinées à la lecture des bolomètres.
Le SIS produit les simulateurs destinés à être livrés à nos partenaires et à l'ESA pour les tests de niveau instrument ou satellite pendant le développement.

Services DSM
Dapnia/SAp Service d’Astrophysique
Dapnia/Sédi Electronique et moyens d'essais cryogéniques.
Dapnia/SIS simulateurs.
DRFMC/SBT cryoréfrigérateurs 300 mK
DTA
Leti DOPT/SLIR: matrice des détecteurs et autres services de process du silicium.

Etats et perspectives

Dates importantes Fourniture du modèle de Qualification cryogénique SAp->Projet= Mai 2004
Fourniture des matrices modèles de vol par le Leti (Juillet 2004-Décembre 2004).
Modèle de remplacement (Décembre2004--Mai 2005).

Revue de Qualification de l'instrument Novembre 2004

Fourniture par le SAp du Modèle de Vol au Projet Juillet 2005

Lancement Aout 2007.


Etat au 31 décembre 2003 Modèle de qualification satisfaisant les exigeances Projet, en cours de tests à Saclay.
Sous unités du modèle de vol en production au Leti.
Électronique froide de type asic Cmos aété réalisé par Atmel(US) et testé avec succès au Leti à 300mK.


Perspectives L'adaptation de ces matrices de bolomètres pour des observations au sol est en cours d'étude. Une thèse passée en Mai confirme des possibilités de réaliser des détecteurs pour les observations depuis le sol sans modification notoire de la technologie. Seul avantage admis pour des observations terrestres, mais de taille, la résolution angulaire.

Bilan scientifique et technique Bilan technique : réalisation des plus grandes matrices de bolomètre existantes à l'heure actuelle.

Faits marquants

Contact L. RODRIGUEZ