Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

La mission spatiale ASTRO-H est un observatoire X et gamma de nouvelle génération développé par l’agence spatiale japonaise (JAXA/ISAS) avec un partenariat NASA et ESA.

Cette mission dont le lancement s'est déroulé le 17 février 2016 (voir l'actualité) a pour but l’étude des phénomènes violents de l’univers.

Elle embarque six télescopes permettant l’observation du ciel dans la gamme 0.3-600 keV avec notamment des performances uniques en spectroscopie à très haute résolution spectrale. La France est impliquée via la contribution de l’ESA à la mission. Deux équipes (Le Service d’Astrophysique/AIM du CEA-Irfu  et le laboratoire APC de Paris) ont été notamment chargées de l’étude des effets des radiations sur l’électronique embarquée et la mise en œuvre de détecteurs DS-CdTe.

Une mission X-gamma de nouvelle génération

La mission ASTRO-H est le sixième observatoire X de l’agence spatiale japonaise JAXA. Les objectifs principaux de cette mission spatiale sont l’étude de la structure à grande échelle et conditions extrèmes de l’univers. Plusieurs thèmes scientifiques majeurs ont émergés au vue des capacités des instruments à bord du satellite notamment des performances uniques en mode spectroscopie: évolution de l’univers notamment du gaz chaud dans les amas de galaxies, évolution chimique des galaxies à grand redshift, noyaux actifs de galaxies et étude détaillée de la raie du fer à 6.7 keV, processus d’accélération de particules et chocs dans les restes de supernova, diagnostic de polarisation du rayonnement dans les nébuleuses compacts entourant les pulsars, jets formés à proximité des trous noirs stellaires.

Un Panel d’instruments

L’observatoire ASTRO-H dispose d’un ensemble d’instruments offrant des capacités d’imagerie et de spectroscopie, couvrant au total la gamme d’énergie 0.3-600 keV.
ASTRO-H comporte deux télescopes à focalisation pour les rayons X de basse énergie (0.3-12 keV, distance focale 6m) auxquels sont associés respectivement un imageur (SXI pour Soft X-ray Imageur utilisant des CCDs comme détecteur) et un spectromètre (SXS, Soft X-ray Spectrometer). Ce dernier est équipé d’un plan de détection constitué de matrices de microcalorimètres sensibles aux rayons X, détecteurs innovants dans cette gamme d’énergie et qui lui confèrent une résolution spectrale extrêmement élevée (5 eV à l’énergie de 6 keV). Cette caractéristique est unique et place ASTRO-H comme une mission particulièrement performante pour conduire des programmes d’observation en spectroscopie fine.
Deux télescopes sont quant à eux dédiés à la gamme d’énergie comprise en 5 et 80 keV. Dans ce cas la focalisation des photons nécessite une distance focale plus grande, 12m. Celle-ci est rendue possible par l’emploi d’un mat déployable, d’une longueur de 5m. Le foyer de ces deux télescopes est équipé d’un instrument imageur (HXI pour Hard X-ray Imager).
Un dernier instrument (SGD pour Soft Gamma-ray Detecteur) complète cette panoplie et couvre la gamme d’énergie 10-600 keV. Cette instrument, doté de plans de détection en silicium et en CdTe, permet entre autre d’éffectuer des mesures de polarisation de la lumière.

Etude de détecteurs

Les équipes du Service d'Astrophysique/AIM et d’APC sont plus particulièrement impliquées dans les instruments HXI (Hard X-ray Imager) et SGD (Soft-Gamma-ray Detector). Elles conduisent avec le soutien financier de l’ESA des études des effets de radiations sur ses éléments les plus critiques, c’est-à-dire de leurs circuits électroniques frontaux (ASIC) et leurs détecteurs à base de cristaux CdTe. Ces activités incluent également la mise en œuvre des détecteurs DS-CdTe (Double-sided CdTe strip detector) pour simuler et préparer la stratégie d’observation de l’instrument HXI (10-80 keV).

Le détecteur DS-CdTe étudié, d’une surface de 8×8 mm², a la particularité d’avoir des strips (bandes) orthogonaux sur les deux faces du détecteur CdTe. Deux ASICs IDeF-X BD (voir ici pour plus de détails) pour la lecture indépendante des 32 voies de chaque face ont été utilisé, soit au total 1024 pixels au pas de 250 µm. La caractérisation du détecteur à une température de -20°C avec une source radioactive d’Américium-241 a montré une très bonne résolution spectrale de l’ordre de 1.2 keV (à une énergie de 60 keV) et 2 keV en moyenne respectivement sur l’anode et la cathode pour une tension de polarisation de 200V.

L’étude des capacités du détecteur en mode d’imagerie a également été conduite. L’intersection de 2 strips déclenchés, l’un sur l’anode et l’autre sur la cathode, permet de localiser la position d’interaction du photon. Associé à un masque codé, le dispositif devient alors un imageur miniature. Un masque codé de 32×32 pixels autoporteurs en Tantale d’une épaisseur de 0.36mm a été associé au détecteur DS-CdTe. Le carré élémentaire des motifs du masque a une largeur de 1 mm. Le masque est alors positionné à une hauteur de 30 mm du détecteur. Cette configuration assure un champ de vue de 1.1 stéradian maximum soit une bonne sensibilité sur un angle d’ouverture de  +/- 22°.

Contacts (CEA) : Benoit Horeau, Philippe Laurent, Olivier Limousin

Pour en savoir plus sur la mission : Le site ASTRO-H de la JAXA/ISAS