Clefs n°58 Automne 2009
Clefs n°58 Automne 2009
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°58 de Automne 2009

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 168

  • Taille du fichier PDF : 7,3 Mo

  • Dans ce numéro : dans les secrets de l'Univers.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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108 Des outils pour sonder l’Univers CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 portée à la valeur du seuil bas de détection. Grâce au choix rigoureux des détecteurs élémentaires et à une maitrise aiguë du bruit de l’électronique, un seuil bas à 4 keV a pu être obtenu. Il s’agit d’un résultat crucial pour le télescope, notamment pour détecter des événements situés à des distances cosmologiques où les photons se décalent vers les basses énergies. L’ASIC a été développé par l’Irfu tandis que l’optimisation du couple détecteur/ASIC vient d’une de ses activités de R&D. Également développée par l’Irfu, l’unité de traitement scientifique embarquée F-UTS (1) devra déceler et localiser, en temps réel, l’apparition d’un sursaut gamma sur la voûte céleste, puis analyser les données issues du plan de détection concernant les photons. La conception du F-UTS s’opère autour d’un microprocesseur embarqué tolérant aux radiations spatiales. L’algorithme scientifique embarqué emploie deux méthodes de détection de sursauts. Celle dédiée aux sursauts gamma longs reconstruit des images du ciel toutes les 20 secondes pour y rechercher l’apparition d’une nouvelle source. Sensible aux sursauts gamma plus courts, la seconde scrute tous les intervalles de temps, jusqu’à 10 ms, pour déceler une augmentation du nombre de photons détectés, ce qui lui permettra de reconstruire l’image du ciel et donc de trouver la source. Une fois le sursaut gamma localisé, le satellite SVOM (1) « F » pour Français. se réoriente de manière à pouvoir observer l’émission rémanente grâce aux télescopes embarqués dédiés aux rayonnements X et visibles à petit champ de vue. En parallèle, le F-UTS prépare un message d’alerte. Rapidement envoyé au sol à l’aide d’un émetteur VHF, couplé à une trentaine de stations de réception réparties au sol sous la trajectoire du satellite, ce message déclenchera l’observation de la rémanence du sursaut gamma par les télescopes terrestres. Grâce à cette observation, il devient alors possible de déterminer la distance de l’événement. La mise en œuvre de solutions performantes et novatrices témoigne du savoir-faire acquis par les équipes techniques en instrumentation spatiale. Fort de cette expérience, SVOM ouvrira une fenêtre nouvelle sur l’Univers, celle donnant sur la connaissance de ces phénomènes lointains que sont les sursauts gamma. Mais pour cela, il faut attendre 2014. > Bertrand Cordier Service d’astrophysique (SAp) Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu) Unité mixte de recherche astrophysique interactions multi-échelles (CEA-Université de Paris 7-CNRS). Direction des sciences de la matière (DSM) CEA Centre de Saclay (Orme des Merisiers) > Michel Fesquet Service d’électronique des détecteurs et d’informatique (Sedi) Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu) Direction des sciences de la matière (DSM) CEA Centre de Saclay 2. Voir plus précis Simbol-X, pionnier des vols en formation Vue d’artiste de Simbol–X observant une galaxie active. Le satellite de droite porte le miroir qui focalise les rayons X sur le détecteur placé sur le satellite de gauche, 20 mètres plus loin. il existe dans le ciel des témoins de l’activité des S’sources extrêmes de l’Univers, ce sont bien les rayons X et gamma nés de plasmas portés à des centaines de millions de degrés ou de particules accélérées à des énergies jusqu'à un milliard de fois supérieures à celles de nos accélérateurs les plus puissants. D’où l’intérêt manifesté par les astrophysiciens pour scruter le ciel dans ce domaine de rayonnement. Peutêtre pourront-ils ainsi répondre un jour aux questions fondamentales de l’astrophysique moderne – celles CNES/O. Sattler posées notamment sur les trous noirs dont on approche l’horizon, au plus près, dans le spectre des rayonsX, ou encore, celles de l’origine des rayons cosmiques. Ces trous noirs, combien sont-ils dans l’Univers ? Qui sont-ils ? Influencent-ils leur environnement ? Quel rôle jouèrent-ils dans la formation des galaxies ? De quelle manière, par ailleurs, fonctionnent les accélérateurs cosmiques ? Peut-on expliquer tous les rayons cosmiques ? Le télescope spatial Simbol-X a été conçu pour tenter de répondre à ces questions en observant le ciel, très loin et très précisément. Si aucun instrument n’a pu le faire avant lui, c’est en raison du caractère trop pénétrant des photons X et gamma qui empêche l’utilisation de télescopes de facture classique où ils seraient collectés et réfléchis par un grand miroir pour être concentrés sur un petit détecteur. À l’instar de nos tissus, lors des radiographies médicales, ces miroirs sont transparents aux rayonsX. Aussi, l’optique des meilleurs instruments imageurs en rayons X et gamma, comme IBIS (pour Imager on Board the Integral Satellite) installé à bord d’INTEGRAL (pour International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory) se compose d’un masque codé permettant d’obtenir de véritables images avec une résolution angulaire encore faible d’une dizaine de minutes d’arc (un tiers de la Lune vue de la Terre). Mais, ne focalisant pas la lumière, ces instruments ne bénéficient pas de l’effet de concentration qui donne leur puissance aux télescopes
classiques. Heureusement, un moyen existe pour focaliser les rayonsX. Il s’appuie sur le fait que ces rayons peuvent être réfléchis sur des surfaces très lisses à condition de les aborder de façon quasiparallèle. En combinant plusieurs de ces matériaux réfléchissants, sous forme de coquilles de révolution emboitées comme des poupées gigognes, on arrive à réaliser des optiques focalisatrices de grande surface que les rayons X « traversent » avant d’atteindre le détecteur au foyer du système. L’énergie maximale à laquelle l’optique peut fonctionner s’avère proportionnelle à la longueur du télescope. La première optique de focalisationX, emportée dans l’espace, en 1978, révolutionna l’astronomieX. Mais elle se limitait à l’observation des rayons X de relativement basse énergie, dits « mous ». Aujourd’hui, la situation demeure inchangée. La mission Simbol-X met en œuvre la technologie émergente du vol en formation pour fabriquer, pour la première fois, un télescope de très grande focale. Ce nouveau concept révolutionnaire consiste à placer l’optique focalisatrice de rayons X sur un premier satellite et le plan focal sur un second, asservi en position par rapport au premier, de façon à former, en quelque sorte, un télescope quasiment rigide mais sans tube. Avec une telle configuration, le télescope peut être sensible aux rayons X dits « durs », c’est-àdire dix fois plus énergétiques que les rayons X « mous ». Cet instrument à focalisation de nouvelle génération est cent à mille fois plus performant que les meilleurs instruments actuels. L’idée de Simbol–X fut proposée dès la fin 2001, par les astrophysiciens du CEA. Portée par les communautés scientifiques française, italienne et allemande, la phase d’étude de faisabilité du projet a été passée avec succès. Elle a été conduite par les agences spatiales française et italienne ainsi qu’une vingtaine de laboratoires français, italiens et allemands, réunis sous la responsabilité conjointe du CEA et de l’Italie. Parmi les éléments clefs de Simbol–X figurent notamment : • l’optiqueX, placée sous la responsabilité italienne, qui bénéficie du savoir-faire acquis lors des missions d’astronomie X à basse énergie, notamment celle du satellite XMM (pour X-ray Multi Mirror) ; ses caractéristiques principales résident dans sa focale de 20 mètres et son excellente résolution angulaire de 20 secondes d’arc ; • le vol en formation, une première donc, dépend du Cnes ; le défi consiste à pouvoir garder, de façon automatique, le satellite « détecteur » positionné autour du point focal donné par l’optique avec une incertitude de l’ordre du cm 3 ; • l’ensemble détecteur, fabriqué par la France avec une participation de laboratoires allemands, doit couvrir entre 0,5 et 80 kiloélectronvolts, s’avérer extrêmement sensible et être doté d’une grande finesse d’imagerie. Pour répondre à son exigeant cahier des charges, l’ensemble détecteur se base sur la superposition de deux plans « spectro-imageurs » de 16 384 pixels couvrant 8x8cm 2 au total (figure 1). Pour chaque photon X (comptés un par un à ces énergies), ils en mesurent l’énergie et la localisation sur le détecteur. Le premier plan spectro-imageur, en silicium, fourni par une équipe allemande, détecte les rayons X « mous » avec une vitesse de lecture 20 000 fois plus rapide que ses prédécesseurs. Le Anticoïncidence (APC) Détecteur haute énergie (CEA) Mini caméra X (CEA) Détecteur basse énergie (MPE-IAAT, Allemagne) Lien thermique (CNES) Figure 1. L’ensemble du plan focal de détection, placé sous responsabilité de l’Irfu, avec ses différents éléments et les laboratoires les fournissant : CEA, Laboratoire astroparticule et cosmologie (APC), Max Planck Institut für extraterrestrische Physic, Institut für Astronomie und Astrophysik-Tübingen (IAAt), Cnes. Les différents composants et leur fonctionnement sont décrits en détail dans le texte. silicium étant transparent aux rayons X de plus haute énergie qui sont bien plus pénétrants, un second plan lui a été adjoint, juste en dessous du premier, de manière à pouvoir arrêter et caractériser ces rayons. Ce deuxième plan est réalisé par le CEA, à base de cristaux de tellure de cadmium (CdTe), matériau ayant déjà prouvé son efficacité dans l’imageur à masque codé d’INTEGRAL. Depuis le lancement de ce satellite, d’importantes avancées ont été enregistrées concernant la miniaturisation (les pixels de Simbol–X étant 50 fois plus petits) et la réduction maximale des zones insensibles entre les pixels. Le plan imageur haute énergie est construit en juxtaposant 64 minicamérasX, de 1 cm 2 de côté, avec chacune 256 pixels complètement adjacents et comprenant toute l’électronique critique à leur fonctionnement (figure 1). Un système compact de blindage et de détecteurs de particules entoure les deux plans imageurs. Fourni par le Laboratoire astroparticules et cosmologie (APC) de Paris, il réduit, d’un facteur 10, les bruits parasites engendrés par les nombreux rayons cosmiques peuplant l’espace interplanétaire. Ce plan focal, étudié sous responsabilité de l’Irfu, dispose également d’un traitement de données de bord géré par le Centre d’études spatiales des rayonnements (CESR) de Toulouse. Les agences spatiales italienne et française n’ayant pu réunir les fonds suffisants pour financer cet ambitieux projet, celui-ci n’a pu entrer dans la phase d’étude détaillée. Étant donné la qualité de la « science à faire » avec ce projet et la large communauté de chercheurs intéressée, il devrait renaître dans un autre contexte. > Philippe Ferrando Service d’astrophysique (SAp) Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu) Unité mixte de recherche astroparticule et cosmologie (CNRS-Université de Paris 7-CEA-Observatoire de Paris) Direction des sciences de la matière (DSM) CEA Centre de Saclay (Orme des Merisiers) > Martial Authier Service d’ingénierie des systèmes (SIS) Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu) Direction des sciences de la matière (DSM) CEA Centre de Saclay (Orme des Merisiers) CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 109 CEA



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