En France, trois laboratoires coordonnés par le Centre National d'Etudes Spatiales (CNES), dont l'Irfu (Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers) du CEA/Saclay ont travaillé à la réalisation des instruments du satellite et à leur étalonnage. Le CEA a participé à la réalisation de la caméra EPIC, le principal instrument d'XMM-Newton et est également fortement impliqué dans le centre de surveillance scientifique (SSC). Les chercheurs du CEA participent très activement à l'exploitation scientifique des données dans des domaines très variés allant de l'étude des restes de supernova à celle des grandes structures de l'Univers.

La mission XMM-Newton est financée par l'ESA jusqu'à 2020.

Dans le souci de faciliter l'utilisation de cette grande quantité de données, l'Agence Spatiale Européenne (ESA) a décidé de confier à un Survey Science Center (SSC) le rôle d'analyser systématiquement toutes les données d'XMM. Le consortium dirigé par M. Watson de l'Université de Leicester (GB) auquel le SAp participe a été sélectionné officiellement pour ce rôle au Science Program Committee du 21 février 1996. La fonctionnalité du SSC a existé dans les projets précédents tels que EINSTEIN ou ROSAT, mais s'est développée a posteriori et a été distribuée sur de nombreux participants. XMM est le premier projet X pour lequel une telle tâche est programmée longtemps avant le lancement, et confiée à un consortium unique assurant l'homogénéité des résultats.

Plus précisément, les fonctions du SSC sont les suivantes:

• traiter systématiquement toutes les données des trois instruments d'XMM (EPIC, RGS, OM) de manière homogène sur toute la durée de la mission. Ceci permettra en outre de vérifier le bon fonctionnement des logiciels d'analyse, et de mettre en évidence d'éventuelles modifications des performances des instruments.
• rechercher et caractériser toutes les sources du champ et si possible les identifier dans des bases de données existantes.
• effectuer des observations de suivi optique (avec des télescopes au sol) pour chercher à identifier les sources pour lesquelles aucune contrepartie n'a été trouvée.
• mettre toutes ces informations à la disposition de la communauté par l'intermédiaire de la base de données XMM gérée par l'ESA.

Le produit fini se présentera sous la forme d'un catalogue des sources détectées avec leurs caractéristiques (spectrale, temporelle, spatiale, recherche d'identification).

Organisation du travail

Le logiciel d'analyse des données est le même que celui qui sera fourni à tous les utilisateurs. Il est développé sous la responsabilité du Science Observation Centre (SOC) d'XMM a l'ESA. Le principe de l'analyse est inspiré de ce qui a été fait pour le satellite ASCA, qui utilisait également des détecteurs CCD. Les routines scientifiques sont écrites directement par le SOC et le SSC, à partir d'informations fournies par les groupes responsables des instruments.

En pratique, le SSC est un consortium de laboratoires européens:

• L'Université de Leicester (maître d'oeuvre) se charge de procéder à l'analyse systématique des données, de l'archivage des données XMM, des communications avec le SOC et de l'organisation générale du projet.
• Le Mullard Space Science Laboratory (MSSL) se charge de fournir les logiciels pour l'analyse des données du Moniteur Optique, et de la coordination du suivi optique.
• L'Astrophysikalisches Institut Potsdam ( AIP) se charge de fournir les logiciels de recherche des sources de rayonnement X dans les cartes.
• Le Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) se charge de fournir les logiciels pour l'analyse des données du détecteur EPIC/PN, et le logiciel de vérification (visuelle) des résultats.
• L'Observatoire Astronomique de Strasbourg (OAS) assure la recherche d'identification des sources dans les catalogues existants, grâce au Centre de Données astronomiques de Strasbourg (CDS) qui incorpore au fur et à mesure de leur disponibilité les nouvelles bases de données.
• L'Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP)  se charge de fournir les logiciels d'analyse temporelle des sources. Depuis 2013 et l’arrêt du financement anglais pour le SSC, l’IRAP a repris la coordination du SSC.

Le suivi optique tirera parti de toutes les ressources accessibles aux membres du consortium (en Grande-Bretagne, en France et en Allemagne).

Pour notre part, nous avons au SAp une expérience certaine de l'analyse des données (avec SIGMA, ISOCAM). Le CEA/Irfu réalise le projet MEGACAM au CFHT (Hawaii), qui répond aux besoins de l'identification optique au sol. Surtout, le groupe X participe également à XMM/EPIC, et a donc une bonne connaissance de la nature des données qui seront reçues par XMM.

Nous fournissons l'ensemble de logiciels permettant d'analyser les données du détecteur EPIC/MOS (celui dans lequel le groupe X est impliqué), depuis les données de base (reçues du satellite) jusqu'à une liste de photons utilisable pour construire des cartes, des spectres et des séries temporelles.

Nous assurons aussi les tests de tous les logiciels produits par Leicester, l' AIP, le MPE, l'OAS, ainsi que des logiciels permettant d'analyser les données du RGS (fournis pour la plupart par le SOC). Ces logiciels sont enchaînés automatiquement pour l'analyse systématique, et nous testons aussi cet aspect. Les tests sont effectués d'une part sur des résultats d'étalonnage, et d'autre part sur des données simulées avec le Simulateur Scientifique d'XMM(Scisim).

XMM-Newton possède 3 télescopes, chacun constitué de 58 coques concentriques coalignées en nickel (0,5 à 1 mm d'épaisseur) et recouvertes d'une fine couche d'or. Chaque télescope, d'une longueur de 60 cm et d'un diamètre de 70 cm, possède son propre plan focal et sa propre chaîne d'acquisition. En raison de la grande surface collectrice ainsi obtenue, les télescopes d'XMM-Newton sont des instruments très sensibles.

Les instruments de XMM-Newton

XMM-Newton permet d'une part de réaliser des images du ciel en rayons X, en visible et en ultraviolet afin de détecter de nouvelles sources et d'autre part d'analyser, grâce à des spectromètres, la répartition de la lumière émise en rayons X.

Des détecteurs capables de récolter l'information tant spatiale que spectrale contenue dans l'image du ciel en rayons X ainsi formée (caméra EPIC) sont situés au foyer de chaque télescope. Deux des télescopes sont également équipés de systèmes dispersifs (réseaux par réflexion) permettant une analyse détaillée de la distribution d'énergie des sources X les plus brillantes (caméra RGS) . XMM-Newton comprend également un télescope optique (le moniteur optique OM) qui permet pour la première fois de réaliser des observations simultanées dans les domaines X et visible ou ultraviolet.

• Le spectro-imageur EPIC (European Photon Imaging Camera)

Les trois télescopes sont équipés d'une caméra EPIC (European Photon Imaging Camera) réalisée par un consortium de 10 laboratoires européens (italiens, français, allemands et britanniques) sous la direction de M. Turner (université de Leicester) avec une importante participation française (Service d'astrophysique au CEA/Saclay, l'Institut d'astrophysique spatiale d'Orsay et le Centre d'étude spatiale des rayonnements de Toulouse).

 - Deux des télescopes sont munis de réseaux. Au foyer de chacun de ces télescopes sont placées 7 caméras CCD identiques (600 X 600 pixels de 40 µm soit 1,1" sur le ciel) qui reçoivent 40 % des photons collectés par le télescope. Ces caméras sont de technologie MOS (Metal-Oxyde-Semiconductor).
-  La caméra du troisième télescope, qui ne possède pas de réseau, reçoit l'intégralité du flux de photons collecté. A son foyer sont placés 12 CCD (200 X 64 pixels de 150 µm soit 4,1" sur le ciel). Ces caméras sont à jonction p-n.

En combinant les deux technologies MOS et jonction p-n, on optimise les performances et la fiabilité de l'ensemble. Ces caméras CCD ont été développées spécifiquement pour une utilisation en rayons X et en environnement spatial (tenue aux rayons cosmiques). La résolution spectrale des caméras est de 80 eV à 1 keV et de 150 eV à 6.4 keV. Une telle résolution est atteinte en refroidissant les CCD à des températures de –100°C.

• Le spectromètre à haute résolution (RGS)

Deux des trois télescopes sont équipés d'un spectromètre réalisé par un consortium néerlandais, anglais, américain et suisse. Cet instrument permet de faire une analyse du spectre X détecté par le télescope et d'identifier ainsi les éléments présents, ainsi que leur forme chimique. De nombreuses raies dont le rôle comme diagnostic astrophysique est important se trouvent dans la bande d'énergie du RGS, notamment les raies du Fer, Nickel, Azote, Oxygène, Néon, magnésium… 40% des photons collectés sont interceptés par un ensemble de 202 réseaux placés à la sortie du télescope. Ces réseaux dispersent le faisceau avec un angle qui dépend de la longueur d'onde ou énergie du photon incident. Une caméra constituée de 9 CCD (1024 X 384 pixels de 27 micromètres) détecte alors le faisceau diffracté.  Le spectromètre est sensible dans la bande d'énergie 0,35 à 2,5 keV (5 à 38 Å). Son pouvoir de résolution (noté E/delta_E) est de 290 à 10 Å, de 520 à 20 Å, et de 800 à 35 Å.

• Le moniteur optique (OM)

Le moniteur optique est réalisé par un consortium anglais, belge et américain. Il comporte un télescope de 30 cm de diamètre avec une ouverture de 12,7. La sensibilité du télescope est équivalente  à celle d'un télescope de 4 m de diamètre au sol. L'OM est primordial pour l'étude des corrélations entre les propriétés X et optiques des sources détectées par EPIC, leur classification et leur identification. Il améliore également le suivi de la direction de pointage, très utile pour l'analyse des données X. Le télescope permet des observations simultanées multi-longueur d'onde des sources X variables en évitant les contraintes des observations coordonnées sol-espace comme le mauvais temps ou les plannings d'utilisation. Chaque observation fournit des données optiques sur toutes les sources X détectées situées dans le champ couvert par l'OM.

• La gestion des données

Un centre d'opération scientifique, le SOC (Science Operation Center), sous la responsabilité de l'ESA, est l'interlocuteur des observateurs. Il est responsable de la base de données d'XMM-Newton, du suivi et de l'actualisation des données d'étalonnage, de la réalisation de logiciels permettant l'analyse des données et de leur distribution aux observateurs.

Afin de faciliter l'utilisation de cette grande quantité, l'ESA a confié à un centre de surveillance scientifique, le SSC (Survey Science Center), le rôle d'analyser systématiquement ces données. Le SSC est placé sous la responsabilité de l'Université de Leicester (Grande-Bretagne), dans le cadre d'une collaboration entre la Grande-Bretagne, la France et l'Allemagne, avec une forte participation française (Observatoire de Strasbourg, Service d'astrophysique du CEA, CESR). Ce consortium unique assure l'homogénéité des résultats.

Le SOC et le SSC sont co-responsables à raison de 50% chacun de la réalisation des logiciels destinés à l'analyse des données.

Le premier catalogue de sources, rendu public en 2003, recense plus de 30000 sources X. Il s'enrichit sans cesse à raison de 25000 à 30000 sources par an et devient ainsi le plus grand catalogue de sources X cosmiques.

Les rayons X proviennent de phénomènes mettant en jeu de grandes quantités d'énergie (où les températures sont de l'ordre de 1 000 000 à 100 000 000 de degrés) comme les effondrements gravitationnels, les accrétions de matière par des objets massifs, les ondes de chocs ... Ils mettent également en évidence le gaz ténu chaud (>10⁶K) présent dans des objets aussi divers que le soleil, les étoiles, le milieu interstellaire, les galaxies ou les amas de galaxies.

Les objectifs scientifiques de la mission XMM-Newton

Les observations d'XMM-Newton permettent de faire progresser des thèmes aussi variés que :

• Les étoiles jeunes au coeur des nuages denses.

L'observation dans le domaine des rayons X des nuages denses est un moyen particulièrement puissant pour l'étude des régions de formation d'étoiles car ce rayonemment  est une signature de l'activité magnétique des étoiles qui s'y forment. Les observations de XMM-Newton, couplées à celles éffectuées dans les domaines infrarouge et millimétrique, permettent de sonder en détail les régions denses et d'étudier les effets d'irradation par le rayonnement X sur les nuages moléculaires ou les enveloppes et disques circumstellaires.

• La physique des trous noirs et des étoiles à neutrons.

Les observations de XMM-Newton permettent d'étudier les phénomènes énergétiques présent autour des objets compacts, étoiles à neutrons et trous noirs. Dans des systèmes binaires, la matière en s'effondrant sur l'objet dense est portée à des températures très élevées et émet un rayonnement X intense. L'étude du profil des raies en émission permet de fournir des informations sur la nature de l'objet dense et du disque de matière qui l'entoure ainsi que sur les champs gravitationnel et magnétique.

• La production et la circulation des éléments lourds dans l'Univers et les mécanismes de chauffage associés.

Les observations de XMM-Newton permettent de comprendre comment se forment les éléments qui nous constituent, qui constituent les planètes et de déterminer  leur abondance dans les étoiles, dans le milieu interstellaire chaud, dans les halos de galaxies, dans les amas de galaxies.  Dans les restes des supernovas (image ci-contre), elles permettent de déterminer le type d'explosion responsable du vestige de supernova et d'étudier les mécanismes d'accélération des rayons cosmiques.

• La quantité et la distribution de matière noire dans l'Univers

Les observations de XMM-Newton permettent d'estimer le potentiel gravitationnel dans les galaxies et amas de galaxies et la quantité de gaz dans les halos des galaxies et le milieu intra-amas. On peut alors en déduire la quantité et la distribution de matière noire.

• La formation et l'évolution des grandes structures

Avec XMM-Newton, les scientifiques peuvent étudier avec une grande précision l'état dynamique des amas, les phénomènes de fusion d'amas, les propriétés statistiques de la population d'amas et son évolution. Ceci permet de mieux comprendre la formation des grandes structures de l'Univers et de contraindre les paramètres cosmologiques et par la même de tester les modèles d'évolution de l'Univers.

• La nature du fond diffus X

Le fond diffus X est une émission continue de rayonnement X observé sur tout le ciel. En dessous de 2 keV, il provient principalement du gaz chaud situé dans notre Galaxie tandis qu'aux énergies supérieures, il résulte du rayonnement émis par une multitude de sources ponctuelles non résolues dont une majorité de noyaux actifs de galaxies. La grande sensibilité d'XMM-Newton permet de sonder avec une grande précision des régions de l'Univers et de mieux cerner la nature de ce fond diffus.

XMM-Newton et les autres observatoires

Les observations de XMM-Newton sont dans de nombreux cas complémentaires de celles obtenues dans d'autres domaines d'énergie ou de longueur d'onde. Cette stratégie d'observation dans différentes gammes d'énergie est souvent nécessaire voire indispensable pour décrire correctement les propriétés physiques d'un objet céleste. En guise d'illustration, citons trois exemples; l'un relatif aux objets compacts galactiques, l'autre au vestige de supernova, le troisième ayant trait à la cartographie à grande échelle des amas de galaxies.

Dans le premier cas, des observations récentes effectuées par le satellite Integral ont permis de découvrir une classe d'objets très particuliers, les sources enfouies.  Ces objets sont des systèmes binaires extrêmement enfouies dans un cocon dense de poussière. Le rayonnement X de ces objets est fortement atténué (absorbé)et il est nécessaire de les observer à plus haute énergie. Les données obtenues par XMM-Newton et Integral sont ainsi tout à fait complémentaires pour cerner la nature de l'objet.
 

Le deuxième exemple montre la très bonne convergence qui peut exister entre les observations radio, X et celles des photons gamma de très haute énergie (supérieure à 100 GeV) détectés depuis le sol par les télescopes Tcherenkov. La comparaison des cartes obtenues de certains vestiges de supernova dans ces trois bandes d'énergie (couvrant plus de 18 ordres de grandeur!) permet de cerner des régions où des particules, électrons et/ou protons, sont accélérées à de très grandes vitesses. Ces particules cèdent une fraction de leur énergie lors de leur périple dans le milieu constituant le reste de supernova et produisent  un rayonnement radio, X et dans certains cas dans la gamme des photons gamma. Ces cartographies détaillées ont permis de confirmer que les restes de supernova constituaient la source d'une partie du rayonnement cosmique.
 

Le dernier exemple traite de l'étude des amas de galaxies. Les amas de galaxies constituent une pièce importante du puzzle de la structuration de l'Univers. Mais leur recherche dans le domaine optique pose néanmoins de sérieux problèmes observationnels du fait de l'accumulation des galaxies sur la ligne de visée. Une solution consiste à étudier grâce à XMM-Newton le gaz chaud diffus situé entre les galaxies constituant un amas puis à en identifier les contreparties optiques. Cette stratégie a montré toute son efficacité dans le cadre d'un programme de sondage profond du ciel par XMM-Newton, le XMM-LSS. Ce programme met à profit le grand champ de vue et la grande sensibilité de la caméra MEGACAM au CFHT comme les facilités offertes par les grands télescopes du VLT de l'ESO au mont Paranal.
 

- la réalisation des convertisseurs de puissance dits EMVC (EPIC MOS Voltage Converter). Ils ont la tâche moins noble scientifiquement mais essentielle de générer et distribuer 10 sources d'alimentation au travers de la chaîne d'acquisition avec tous les impératifs de sûreté de fonctionnement et de protection imposés par les constituants de la chaîne et du satellite. L'EMVC ne doit pas générer ou véhiculer de bruit vis-à-vis des charges collectées sur le plan focal qui sont de l'ordre de quelques électrons. Avec un rendement global supérieur à 70% et une espérance de vie de 10 ans, l'EMVC est l'objet d'une prestation industrielle d'une très grande maîtrise ;
-  le développement d'ASIC (techniques de réduction de poids et puissance) pour application spatiale ;
-  le développement des bancs de tests ;
-  la conduite et l'analyse des mesures d'étalonnage (station synchrotron IAS/LURE) ;
- outre l'aspect expertise et maintenance d'EPIC, le CEA est également chargé d'assurer une partie de l'analyse des données en vol.

Le SSC
Le CEA intervient à plusieurs niveaux :
- il est chargé de l'intégration et des tests de la moitié (à parité avec Leicester) de l'analyse  systématique des données, plus précisément des chaînes de traitement pour les instruments EPIC et RGS, ainsi que de la détection de sources et d'un certain nombre de tâches de visualisation des produits ;
- il est chargé de l'intégration et des tests des sous-systèmes de corrélation des résultats avec les catalogues existants et du système de vérification visuelle des résultats ;
- il est chargé de réaliser les logiciels spécifiques pour l'instrument EPIC/MOS ;
- il participe aux observations de suivi optique des sources détectées en X ;
- il participera pendant toute la vie du satellite à la vérification systématique des résultats et assure la maintenance des logiciels qu'il a fournis.

Résultats scientifiques consulter la page Science ou Publications de ce site XMM-Newton :