INTEGRAL

La mission d'astronomie gamma INTEGRAL par François Lebrun

Une vue d'artiste du satellite INTEGRAL (crédit ESA).

Voir aussi : le site INTEGRAL du Service d'Astrophysique et le catalogue des sources Integral(maintenu par J. Rodriguez)

Cette mission scientifique de l'Agence Spatiale Européenne a pour but de fournir à la communauté scientifique un observatoire spatial équipé de télescopes aptes à mesurer les photons gamma de moyenne énergie (20 keV - 10 MeV) émis par les objets célestes. Il est en effet nécessaire de s'élever au dessus de l'atmosphère terrestre car celle-ci est opaque au rayonnement gamma. Des étoiles effondrées, étoiles à neutrons et trous noirs, ou le milieu interstellaire peuvent donner lieu à de l'émission gamma. Le milieu interstellaire émet du rayonnement gamma continu et des raies nucléaires étroites. Les étoiles effondrées émettent principalement un rayonnement continu soit directement dans le cas des seules étoiles à neutrons comme les pulsars observés dans le domaine des ondes radio, soit par l'intermédiaire d'un disque d'accrétion dans le cas d'un système binaire formé d'une étoile "normale" et d'un objet effondré absorbant de la matière en provenance de l'étoile compagnon. La compréhension des phénomènes physiques mis en jeu dans ces systèmes requiert une connaissance de leur émission dans tous les domaines de longueur d'onde. Pour cela, il faut que la source de l'émission gamma soit bien la même que celle observée dans le domaine radio par exemple. Il est donc essentiel que la source du rayonnement gamma soit localisée sur le ciel avec la meilleure précision possible. De même, il est essentiel de ne pas mélanger les émissions de deux objets proches l'un de l'autre. L'étude des raies nucléaires émises par le milieu interstellaire pose un problème similaire. En principe, une raie ou un ensemble de raies permettent d'identifier le noyau émetteur, mais si la résolution du détecteur n'est pas suffisante, les raies peuvent se mélanger ou l'identification peut être ambigüe. Pour faire progresser l'astronomie gamma, il faut donc disposer d'une bonne résolution angulaire et spectrale.
A l'heure actuelle, on ne sait pas faire un télescope alliant ces deux caractéristiques. Notant que ces deux besoins sont requis pour observer des sources différentes, les objets effondrés et le milieu interstellaire, les promoteurs de la mission INTEGRAL ont construit deux télescopes, l'un, IBIS privilégiant la résolution angulaire et l'autre, SPI, la résolution spectrale. L'observatoire INTEGRAL, pour INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory ou Laboratoire international pour l'astronomie du rayonnement gamma, pesant près de 4 tonnes, emporte donc deux télescopes principaux et deux instruments d'accompagnement étendant la couverture spectrale dans les domaines X et optique.
INTEGRAL a été lancé le 17 octobre 2002 depuis la base de Baïkonour au Kazakhstan par une fusée Proton puis placé sur une orbite excentrique (13 000 - 150 000 km), d'une période de 3 jours. Depuis, cet observatoire de l’Univers violent livre une variété impressionnante de résultats scientifiques.

le site INTEGRAL
du Service d'Astrophysique

voir également :

maj : 26-01-2010 (1026)

La caméra gamma ISGRI

par François Lebrun

fig 1: Le polycell vu de dessous (523x542 103Ko)

Cette caméra de nouvelle génération est chargée de fournir des images 128 x 128 dans le domaine d'énergie 20 keV - 10 MeV. Elle est basée sur l'utilisation de détecteurs semi-conducteurs en tellurure de cadmium (CdTe). Chaque point image (pixel) est un détecteur carré de 4 mm par 4 mm et de 2 mm d'épaisseur. Cette épaisseur permet d'assurer une efficacité de détection de 50% à 150 keV. La conception d'ISGRI est très modulaire. Le plan de détection d'ISGRI d'environ 60 x 60 cm est formé de 4 x 2 petites caméras totalement indépendantes. Chacune d'elles est formée par l'assemblage de 128 briques de base appelées "polycell" qui forment l'élément clef de la caméra ISGRI. Un polycell est un système hybride relativement complexe formé par l'assemblage sur une plate-forme de 16 détecteurs CdTe d'un côté et de quatre puces électroniques de l'autre côté (voir Figure 1). Ces puces sont des circuits intégrés de type ASIC comportant 4 voies de mesure analogique et un circuit logique. Elles ont été développées par le département DSYS du LETI en collaboration avec la DSM (SEI et SAp). L'électronique de traitement des informations est conventionnelle. Elle date les détections avec une précision de 60 µs qui permettra donc l'étude de l'émission des pulsars jusqu'à des périodes inférieures à la milliseconde. L'intérêt des détecteurs CdTe, outre leur bonne efficacité de détection est de fournir une excellente résolution spectrale sans nécessiter de refroidissement. A cet égard, les raies cyclotron émises par les pulsars devraient être facilement détectées par ISGRI. Les performances d'imagerie et de spectroscopie d'ISGRI seront particulièrement utiles pour détecter les raies à 68 et 78 keV du 44Ti formé lors de l'explosion de supernovae. Ces supernovae vieilles de moins de quelques centaines d'années sont en effet invisibles à d'autres longueurs d'onde de par l'absorption ou l'émission de notre galaxie.

maj : 25-09-1998 (1154)

LE DFEE (Digital Front End Electronic)

fig 3: Puce de type ASIC.(413x577 60Ko)

Le DFEE a pour fonction principale de trier les événements issus des détecteurs afin de rejeter ceux qui sont anti-coïncidés par le bouclier composé de scintillateur BGO. Sur les précédentes missions d'observation gamma, cette fonction était réalisée par des unités analogiques, mais, afin de réduire le temps mort de l'instrument et d'en augmenter la souplesse de fonctionnement, une solution digitale a été envisagée pour le spectromètre SPI.

A partir des informations du sous-système de veto, le DFEE définit comme bons les photons dont la marque temporelle ne coïncide pas avec le passage d'un photon ou d'une particule à travers un des éléments du bouclier. Avant la transmission des photons à l'ordinateur de bord, le DFEE ajoute différents marqueurs ou informations :

temps de bord relatif avec une résolution d'environ 100 micro-secondes
marque pour les événements multiples avec leur numéro d'ordre
marque pour les événements rejetés après analyse de la forme du pulse électronique

De plus, diverses informations doivent être collectées ou calculées par le DFEE, comme le temps mort de l'instrument. Pour pouvoir mener à bien toutes ces fonctions en temps réel, le DAPNIA développe une électronique dont le coeur est une puce de type ASIC.

Plan du document

maj : 24-01-2007 (1157)

Les étalonnages du spectromètre SPI

fig 4: Le spectromètre d'INTEGRAL : SPI(313x469 34Ko)

Le spectromètre SPI de la mission INTEGRAL doit opérer dans un large domaine spectral qui s'étend de 20 keV à 8 MeV. Certains objectifs parmi les plus importants de l'astrophysique nucléaire étant attendus au delà de 3 MeV, il convient donc d'étalonner cet instrument sur toute sa gamme spectrale.

Au delà de 2 MeV, il n'existe pas de source radioactive utilisable en laboratoire. La seule technique efficace connue pour la production de photons gamma dans la gamme 2-10 MeV est l'excitation nucléaire d'une cible à l'aide de protons de faible énergie. Cette technique implique l'utilisation d'un accélérateur.

Une période d'étalonnage d'au moins un mois est prévue dans le planning du spectromètre. L'objectif de cette campagne est d'évaluer les performances scientifiques du SPI sur toute sa gamme d'énergie : sensibilité et fonction d'appareil. Cette campagne se déroulera sur le site CEA de Bruyères-le-Châtel auprès de l'accélérateur Van de Graaf de 4 MeV. Pendant toute la phase d'étalonnage le spectromètre sera monté à l'horizontal et visera tantôt des sources gamma étalon, tantôt les cibles de l'accélérateur.

Plan du document

maj : 24-01-2007 (1156)

Integral / ISDC

Integral Science Data Center

Généralités

Thématique et contexte du projet La mission d’astronomie gamma Integral , dont l’objectif principal est l’exploration approfondie des sites célestes émissifs dans la bande spectrale de 15 keV à 10 MeV est la dernière grande mission astronomique de l’Agence spatiale Européenne. Le télescope IBIS et le spectromètre SPI constituent la charge utile principale du satellite Integral. La nature observatoire de la mission repose sur l'Integral Science Data Center (ISDC)
qui permet aux astronomes non-spécialistes de mener des observations avec Integral en leur fournissant les données collectées par les instruments et les logiciels de traitement. L’ISDC est considéré comme le cinquième instrument d’Integral. Tous les astres actifs à haute énergie sont des objectifs d’Integral avec au premier rang, les trous noirs, qu’ils soient issus de l’évolution stellaire où nichés au cœur des noyaux actifs de galaxies, ainsi que les sites où sont relachés les produits de nucléosynthèse, ouvrant de nouvelles perspectives à l’astrophysique nucléaire.
Pour en savoir plus : l'observatoire INTEGRAL

Localisation L’ISDC se trouve à Versoix, près de Genève en Suisse.

Collaboration Allemagne : Université de Tubingen, MPI (Munich)
Belgique : Université de liège
Danemark : DSRI (Copenhague)
France : Dapnia
Irlande : Université de Dublin
Italie : IFC (Milan) IAS(Rome)
Pologne : NCAC (Varsovie)
Royaume-Uni : Université de Southampton
Suisse : ISDC (Geneve)

Approche scientifique

Moyens d'investigation La mission est basée sur l’utilisation simultanée de deux dispositifs à ouverture codée : Ibis, un télescope apte à fournir des images à haute résolution angulaire (précision de localisation des sources, <1 minute d’arc) et une information spectrale à moyenne résolution et SPI un spectromètre chargé de produire des spectres à très haute résolution (résolution en énergie E/ΔE ~ 650 à 1.3 MeV). Le satellite Integral inclut également deux moniteurs JEM-X (à ouverture codée également) et OMC, opérant respectivement dans la bande des rayons X au-delà de 2-3 keV et dans le domaine visible, de 550 à 850 nm. Tous les instruments sont co-alignés et fonctionnent simultanément. Les sites émissifs actifs à haute énergie produisent des rayonnements à spectre continu, induits essentiellement par des mécanismes impliquant des particules accélérées, auxquels se superposent des raies d’émission issues de processus de désexcitation nucléaire et d’annihilation électron-positon

Instruments Langages C et Fortran. Les logiciels sont développés sous SUN/Solaris et sont destinés a être exploité sue ce système ou sur Linux.

Spécificités Modulé par l’ouverture codée, le rayonnement gamma céleste est enregistré par les plans détecteurs qui fournissent des images qui ne sont pas directement interprétables. L’une des tâches principales des logiciels de l’ISDC est de décoder ces images et de construire les spectres et les courbes de lumière des sources détectées.

Contribution du Dapnia

Responsabilités scientifiques et techniques Développement et fourniture d’un ensemble de logiciels spécifiques permettant l’analyse des données d’IBIS

Services SAp

Etats et perspectives

Dates importantes
1993 : Sélection de la mission Integral par le Comité des Programmes Scientifiques de L’Agence Spatiale Européenne
1995 : Sélection des instruments de la charge utile
17 Octobre 2002 : lancement d’Integral à Baïkonour

Etat au 15 septembre 2007 Le centre fonctionne parfaitement

Perspectives La mission Integral initialement financée pour une durée de deux ans est prolongée jusqu'à 2010. Une extension jusqu'à 2013 est actuellement à l’étude. Les activités de l’ISDC ne peuvent que se prolonger au-delà.

Bilan scientifique et technique Au plan technique la l’archivage et la distribution des données et des logiciels fonctionnent parfaitement. Les logiciels sous la responsabilité du SAp ont été complètement livrés et fonctionnent de façon satisfaisante.
Le bilan scientifique est indissociable de celui des instruments
Numéros de scintillationS : n° 41, 45, 52, 56, 60, 63

Faits marquants

Contact F.LEBRUN

maj : 25-09-2012 (384)

Integral /SPI

Vue éclatée du spectromètre SPI

Généralités

Thématique et contexte du projet La mission d’astronomie gamma Integral, dont l’objectif principal est l’exploration approfondie des sites célestes émissifs dans la bande spectrale de 15 keV à 10 MeV est la dernière grande mission astronomique de l’Agence spatiale Européenne. Le télescope Ibis et le spectromètre SPI constituent la charge utile principale du satellite Integral. Tous les astres actifs à haute énergie sont des objectifs de SPI avec au premier rang les sites où sont relâchés les produits de nucléosynthèse, ouvrant de nouvelles perspectives à l’astrophysique nucléaire.
Pour en savoir plus : l'observatoire Integral
Localisation Une fusée russe Proton a placé le 17 Octobre 2002 le satellite Integral sur une orbite très excentrique (périgée initial : 10 000 km, apogée initial 150 000 km). Le spectromètre SPI est du côté à l’ombre du soleil sur le satellite.

Collaboration Allemagne : Max-Planck Istitut fur Extraterrestrische Physik
Begique : Université de Louvain
Espagne : Université de Valence
USA : GSFC (Washington), Université de Berkeley
France : Dapnia, Centre d’Etude Spatiale des Rayonnements (Toulouse)
Italie : IFCTR (Milan)

Approche scientifique

Moyens d'investigation SPI est un télescope gamma à ouverture codée apte à fournir des images à moyenne résolution angulaire et une information spectrale à très haute résolution et SPI (résolution en énergie E/ΔE ~ 650 à 1.3 MeV). Les sites émissifs actifs à haute énergie produisent des rayonnements à spectre continu, induits essentiellement par des mécanismes impliquant des particules accélérées, auxquels se superposent des raies d’émission issues de processus de désexcitation nucléaire et d’annihilation électron-positon

Instruments Modulé par l’ouverture codée, le rayonnement gamma céleste est enregistré par le plan détecteur ceinturé de blindages actifs pour réduire le bruit de fond induit par les particules chargées qui abondent dans l’environnement spatial. Le plan détecteur est formé d’une mosaïque de 19 cristaux semi-conducteurs hexagonaux en germanium refroidi à 85K par des dispositifs actifs et passifs. Cette caméra gamma est apte à mesurer la position du point d’impact et l’énergie déposée par chaque photon interagissant avec le plan détecteur.

Spécificités Une ample surface de collection dans un vaste domaine spectral, l’aptitude à produire sur tout ce domaine des images et des spectres à très haute résolution, autant de spécificités qu’aucun autre spectromètre gamma n’a jamais affiché simultanément. Les « annealings », opérations de réchauffage des diodes germanium à 100 °C destinées à restaurer les performances spectrales dégradées par le bombardement des particules spatiales constituent une première en orbite.

Contribution du Dapnia

Responsabilités scientifiques et techniques SPI : Etude, développement et réalisation du boîtier électronique DFEE chargé de la gestion digitale des informations.
Étalonnage du modèle de vol du spectromètre au moyen de faisceaux de rayons gamma mono énergétiques

Etats et perspectives

Dates importantes
1993 : Sélection de la mission Integral par le Comité des Programmes Scientifiques de L’Agence Spatiale Européenne
1995 : Sélection des instruments de la charge utile
Été 2000 livraison du boîtier DFEE au consortium SPI
17 Octobre 2002 : lancement d'Integral à Baïkonour

Etat au 15 septembre 2007: SPI fonctionne nominalement

Perspectives La mission Integral initialement financée pour une durée de deux ans est prolongée jusqu'à 2010. Une extension jusqu'à 2013 est actuellement à l’étude.

Bilan scientifique et technique Après 9 « annealing » (jusqu'à début 2007) permettant de restaurer les performances des diodes germanium, 17 d’entre elles fonctionnent parfaitement. Le boîtier DFEE n’a pas fait montre de la plus petite défaillance.
Numéros de scintillationS : n° 41, 45, 52, 56, 60, 63, 68

Faits marquants

8 décembre 2002        INTEGRAL découvre le ciel gamma
17 octobre 2003         Le premier anniversaire du satellite INTEGRAL
22 juillet 2005             L'antimatière de la Galaxie

Contact F. Lebrun

maj : 26-01-2006 (433)

Integral/Ibis

Bloc détecteur du télescope IBIS

Généralités

Thématique et contexte du projet La mission d’astronomie gamma Integral, dont l’objectif principal est l’exploration approfondie des sites célestes émissifs dans la bande spectrale de 15 keV à 10 MeV est la dernière grande mission astronomique de l’Agence spatiale Européenne. Le télescope Ibis et le spectromètre SPI constituent la charge utile principale du satellite Integral. Tous les astres actifs à haute énergie sont des objectifs d’IBIS avec au premier rang, les trous noirs, qu’ils soient issus de l’évolution stellaire où nichés au cœur des noyaux actifs de galaxies.
Pour en savoir plus : l'observatoire integral
Localisation Une fusée russe Proton a placé le 17 Octobre 2002 le satellite Integral sur une orbite très excentrique (périgée initial : 10 000 km, apogée initial 150 000 km). Le télescope Ibis est du côté exposé au soleil sur le satellite.

Collaboration Allemagne : Université de Tubingen.
Espagne : Université de Valence.
USA : Marshall Space Flight Center.
France : Dapnia.
Italie : IAS (Rome) ; ITESRE (Bologne) ; IFCAI (Palerme).
Norvège : Université de Bergen.
Pologne : NCAC (Varsovie) ; CBK (Varsovie).

Approche scientifique

Moyens d'investigation Ibis est un télescope gamma à ouverture codée, apte à fournir des images à haute résolution angulaire (précision de localisation des sources, <1 minute d’arc) et une bonne information spectrale. Les sites émissifs actifs à haute énergie produisent des rayonnements à spectre continu, induits essentiellement par des mécanismes impliquant des particules accélérées, auxquels se superposent des raies d’émission issues de processus de désexcitation nucléaire et d’annihilation électron-positon.

Instruments La couverture du domaine spectral est assurée par deux plans détecteurs : ISGRI couvre la gamme 15 keV – 1 MeV et PICsIT la gamme 300 keV – 10 MeV. Les plans détecteurs sont des mosaïques de détecteurs, semi-conducteurs en tellurure de cadmium pour Isgri ou scintillateurs pour PICsIT, aptes à mesurer la position du point d’impact et l’énergie déposée par chaque photon interagissant avec le plan détecteur. Modulé par l’ouverture codée, le rayonnement gamma céleste est enregistré par les plans détecteurs d’IBIS ceinturés de blindages actifs pour réduire le bruit de fond induit par les particules chargées qui abondent dans l’environnement spatial.

Spécificités Une ample surface de collection dans un vaste domaine spectral, l’aptitude à produire sur tout ce domaine des images fines et des spectres à bonne résolution, autant de spécificités qu’aucun autre instrument gamma n’a jamais affiché simultanément. Ces caractéristiques sont principalement le fait d’Isgri qui est la première caméra gamma à semi-conducteurs fonctionnant à température ambiante.

Contribution du Dapnia

Responsabilités scientifiques et techniques Ibis : Conception et administration de l’expérience (position de Co-principal investigateur)
Simulation du dispositif expérimental et calcul de la réponse de l’instrument.
Fourniture d’un générateur X, de sources radioactives et d’un système d’acquisition rapide pour l’étalonnage d’Ibis.
Isgri : Etude, développement et réalisation (maîtrise d’œuvre) de la caméra gamma de nouvelle génération, le plan détecteur supérieur du télescope.

Services SAp, Sédi, SIS

Etats et perspectives

Dates importantes
1993 : Sélection de la mission Integral par le Comité des Programmes Scientifiques de L’Agence Spatiale Européenne
1995 : Sélection des instruments de la charge utile
14 Juillet 2001 : livraison du modèle de vol de la caméra Isgri
17 Octobre 2002 : lancement d’Integral à Baïkonour

Etat au 15 septembre 2007 Ibis fonctionne nominalement

Perspectives La mission Integral initialement financée pour une durée de deux ans est prolongée jusqu'à 2010. Une extension jusqu'à 2013 est actuellement à l’étude.

Bilan scientifique et technique Ibis fonctionne parfaitement et Isgri n’a pas fait montre de la plus petite défaillance depuis le lancement. Sur le plan scientifique, la littérature spécialisée (Nature, Astrophysical Journal, Astronomy and Astrophysics etc.) révèle que 90% des résultats d’Integral sont basés sur des données d’Isgri.

Faits marquant