Un oeil de homard pour traquer les explosions cosmiques

Publié par Redbran le 31/05/2021 à 09:00
Source: CEA IRFU
Une caméra à rayons X, destinée à équiper le satellite sino-français SVOM, vient d'être assemblée et livrée par les scientifiques et techniciens de l'Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'univers (CEA/ Irfu). Ce prototype de haute technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) captera les photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) de haute énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) (rayons X) émis lors de l'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un...) d'étoiles massives ou la fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état...) d'astres denses.

La caméra (Le terme caméra est issu du latin : chambre, pour chambre photographique. Il désigne un appareil...), particulièrement compacte et innovante, intègre dans un volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) très limité, une chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) de détection complète, un contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) actif et une roue (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe...) à filtre (Un filtre est un système servant à séparer des éléments dans un flux.). Elle va être placée au foyer d'un télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant...) de 1,15 m de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) pour constituer le MXT (Microchannel X-ray Telescope). Avec un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) de 1 degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines...) carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses...), pour seulement 35 kg de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...), le télescope MXT, muni d'une optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...) originale "à facettes"inspirée des yeux de homard (Le homard est un crustacé décapode, vivant dans la mer. Le genre Homarus comprend deux...), va permettre de localiser, avec une précision meilleure que 2 arcmin, la position des plus puissantes explosions cosmiques de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.). Après différents essais, dont une campagne (La campagne, aussi appelée milieu rural désigne l'ensemble des espaces cultivés...) d'étalonnage en Allemagne, l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) sera expédié en Chine en novembre 2021 pour être intégré au satellite (Satellite peut faire référence à :) SVOM dont le lancement est prévu fin 2022.


Voir: la vidéo (La vidéo regroupe l'ensemble des techniques, technologie, permettant l'enregistrement ainsi que la...) du montage de la caméra MXT en salle blanche.

Un télescope innovant

Le télescope MXT (pour Microchannel X-ray Telescope - Télescope microcanaux à rayons X) est un des quatre instruments du satellite sino-français SVOM (Space-based multi-band astronomical Variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle...) Objects Monitor) dont l'objectif est la détection, la localisation précise et le suivi des explosions les plus puissantes de l'univers appelés aussi "sursaut gamma (Les sursauts gamma (en anglais, gamma-ray bursts, abrégé en GRB) sont des bouffées de photons...)". Ces explosions se signalent en effet par une émission très brève de rayons gamma, la forme la plus puissante de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...). La durée très courte de l'explosion gamma (souvent seulement quelques secondes) nécessite une stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie...) complexe pour les étudier. Le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) gamma est d'abord détectée et localisé par les instrument ECLAIRs et GRM mais c'est grâce à la position précise obtenue en rayons X par le télescope MXT (et en lumière visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre...) par l'instrument VT) que l'alerte de SVOM pourra être pleinement exploitée par les télescopes au sol qui pourront suivre l'évolution du sursaut avec des optiques de plus grande taille.


The SVOM satellite will be put into orbit at the end of 2022. It carries gamma instruments (ECLAIRs and GRM) capable of detecting cosmic gamma-ray bursts, the MXT instrument for the detection of X-rays and the VT instrument for the detection of visible light emitted during these explorations which will also be followed from the ground. Copyright SVOM.

Le télescope MXT est muni d'une optique révolutionnaire dite en "oeil de homard" car elle comporte de multiples canaux analogues aux facettes des yeux de crustacés (Les crustacés (Crustacea) sont des arthropodes, c'est-à-dire des animaux dont le corps...). Ces canaux microscopiques (40 µm de côté) sont assemblées pour constituer une mosaïque de plaques contenant chacune environ 600 000 facettes. Elles sont recouverts d'iridium (L'iridium est un élément chimique de symbole Ir et de numéro atomique 77.) afin d'augmenter leur réflexivité (La réflexivité est la propriété d'une relation binaire qui met en relation tout élément avec...) aux rayons X et et la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) d'entrée est recouverte d'une fine couche d'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13....) pour arrêter la lumière visible. Cette géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace...) originale permet de fournir un large champ de vision de 1 degré carré (4 fois la surface apparente du Soleil), avec une sensibilité uniforme pour une surface efficace de 25 cm2 et une masse réduite d'environ 2 kg. Cette optique, analogue à la pupille (Dans l'œil, la pupille est le trou situé au milieu de l'iris. Il nous apparaît noir...) de l'oeil, focalise les rayons X sur la caméra qui en constitue la rétine (La rétine est l'organe sensible de la vision. D'origine diencéphalique, elle est une...) sensible.

Le MXT est développé en France par le CNES et le CEA-Irfu et et l'IJCLab (Laboratoire de Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) des 2 infinis Irène Joliot-Curie) sous la direction scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) de Diego Gotz, en étroite collaboration avec l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Leicester au Royaume-Uni et le Max-Planck Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) für Extraterrestische Physik de Garching en Allemagne.


Schéma du télescope MXT: L'optique multi-facettes à l'entrée du télescope a un diamètre de 24 cm et un poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la...) de 2 kg, La structure avec une distance focale (Les distances focales, respectivement objet et image, d'un système optique centré convergent ou...) de 1,15 m est composée en fibre (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se...) de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) avec la caméra au foyer. L'ensemble complet (optique, tube, radiateur, caméra et ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant...) de bord) pèse 35 kg.
Crédit: CEA/CNES

Une caméra compacte.

Le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...) de la caméra a démarré en 2013 et a été réalisé en collaboration avec l'Agence spatiale (Une agence spatiale est un organisme d'État ayant pour but d'étudier l'Espace et de développer...) française (CNES). L'instrument est basé sur l'utilisation d'un détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change...) pnCCD et de son électronique de proximité (CAMEX), fournis par le Max Planck (Max Planck (né Max Karl Ernst Ludwig Planck le 23 avril 1858 à Kiel, Allemagne...) Institut für Extraterrestische Physik (MPE). Composé de différents sous-systèmes, la caméra a été totalement construite et assemblée dans les salles blanches du Département d'Astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche...) (DAp) du CEA-Irfu, dans un environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) contrôlé pour éviter toute contamination.

Le détecteur, constitué d'un bloc monolithique (Un monolithe est un élément fait d'un seul bloc de pierre de grande dimension. Son nom vient du...) divisé en 256x256 pixels, a été intégré sur une plaque en céramique (Premier « art du feu » à apparaître (avant la métallurgie et le travail du verre),...), entouré d'un blindage pour réduire l'impact du rayonnement cosmique sur le détecteur. Il a été muni d'un système de trois refroidisseurs thermoélectriques qui permet de maintenir la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) du plan-détecteur entre -75 ° et -60 ° C. L'ensemble de détection est inséré dans un boîtier, qui contient une roue à filtre, utilisée à des fins d'étalonnage et de protection. Tous ces sous-systèmes de la caméra ont été conçus, intégrés au CEA et fabriqués par le CEA ou ses sous-traitants.


L'équipe technique de la caméra en salle blanche. A droite: la caméra MXT totalement assemblée. Elle intègre un détecteur pnCCD de 256x256 éléments, son système de pilotage électronique ainsi que trois refroidisseurs thermoélectriques pour maintenir la température entre -75 ° et -60 °C) et une roue à filtre.
Crédits DAP/Irfu-CEA

Pour réaliser des tests approfondis, trois modèles différents de la caméra ont été construits au fil des années: un modèle structurel et thermique (STM), un modèle de performance (PM) qui a permis de valider la chaîne de détection complète et un modèle de choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de...) (SM) pour tester sa résistance, avant de produire le modèle final dit "modèle de vol Proto (PFM)".

Le développement de ces modèles a impliqué une équipe de plus de 20 personnes. Le dernier modèle PFM a été réalisé malgré la crise pandémique du COVID-19, grâce à la forte implication des techniciens, ingénieurs et scientifiques du projet. Les prochaines étapes en 2021 seront l'assemblage et les tests de l'ensemble du télescope MXT et son étalonnage final qui seront réalisés dans l'installation MPE X-ray Panter à Munich. L'équipe MXT du CEA accompagnera le CNES lors de tous ces tests. A l'issue de cette campagne de test en novembre 2021, le télescope MXT sera expédié en Chine pour l'intégration finale sur le satellite SVOM, dont le lancement est prévu avant la fin de 2022.

Vidéo en plan accéléré du montage de la caméra MXT en salle blanche

Contacts:
Diego GOTZ, Aline MEURIS

Rédaction: Diego Gotz, A. Meuris, J.M. Bonnet-Bidaud.
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