XMM-Newton va permettre d'une part de réaliser des images du ciel en rayons X, en visible et en ultraviolet afin de détecter de nouvelles sources de rayons X et d'autre part d'analyser, grâce à des spectromètres, émise la lumière en rayons X par ces sources pour en extraire des informations sur leur composition.
Avec ses 3 télescopes X en parallèle composés chacun de 58 miroirs concentriques, XMM-Newton dispose d'une surface collectrice inégalée dans le domaine X. Au foyer de ces télescopes se trouvent des détecteurs capables de récolter l'information tant spatiale que spectrale contenue dans l'image du ciel en rayons X ainsi formée.
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.
XMM-Newton comprend aussi un télescope optique (le moniteur optique OM) qui permettra 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 constituent la 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 (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 (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 135 eV à 6,4 keV et de 55 eV à 1 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 importantes se trouvent dans la bande d'énergie du RGS et notamment des raies du Fer, Nickel, Azote, Oxygène, Néon, magnesium…
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. 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/?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 semblable 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 l'ensemble logiciel permettant l'analyse des données et de leur distribution aux observateurs.
Grâce à sa très grande sensibilité, XMM-Newton détectera des dizaines de sources secondaires de rayonnements X en plus de sa cible d'observation dans son champ de vue. Avec plusieurs observations quotidiennes XMM-Newton détectera ainsi plusieurs dizaines de milliers de sources dès la première année, dont la plupart seront des sources non encore répertoriées. XMM-Newton a le potentiel de générer une très importante base de données de sources formant un échantillon représentatif du ciel. XMM-Newton devrait détecter, par an, typiquement 1000 étoiles, 1000 amas de galaxies et 15 000 galaxies actives, de flux supérieur à 10-14 erg.s-1.cm-2 (dans la bande 0,5-10 keV).
Afin de faciliter l'utilisation de cette grande quantité, l'ESA a décidé de confier 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 SSC est chargé de :
- traiter systématiquement toutes les données des trois instruments d'XMM-Newton de manière homogène durant toute la durée de la mission. Ceci permettra 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 scientifique par l'intermédiaire de la base de données gérée par le centre d'opération scientifique (SOC), tout en respectant les droits de propriété d'un an des observateurs.
La fonctionnalité du SSC a existé dans des projets précédents, tels que Einstein ou Rosat, mais s'est développée a posteriori et a été assurée par de nombreux participants. XMM-Newton est le premier projet X pour lequel un consortium unique assure l'homogénéité des résultats et est programmé longtemps avant le lancement.
