Présentation d'Athena, la plus grande et la plus ambitieuse optique à rayons X jamais réalisée, avec Andrea Martelli - PART I
Rémy Decourt - Journaliste
L'observatoire spatial Athena, qui promet des avancées majeures dans le domaine de l'astrophysique des hautes énergies, sera équipé d'un miroir de 2,5 mètres. Ce miroir est si ambitieux au niveau des prouesses scientifiques et de sa conception qu'il nécessite la réalisation d'un prototype grandeur nature pour valider le concept et les performances attendues. L'interview d'Andrea Martelli, responsable des avant-projets scientifiques chez Thales Alenia Space, nous explique les enjeux.
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Début janvier, l'Agence spatiale européenne a confié à Thales Alenia Space l'étude de la conception, la fabrication et le test du démonstrateur MAM (Mirror Assembly Module) destiné au futur télescope spatial Athena.
Cet observatoire spatial, dont le lancement est prévu en 2031, pourra sonder le cosmos 10 à 100 fois plus profondément que les précédentes missions dans le domaine des rayons X, afin d'observer les objets célestes les plus chauds et énergétiques. Nos articles précédents détaillent les objectifs scientifiques qui promettent des avancées majeures dans le domaine de l'astrophysique des hautes énergies.
Une toute nouvelle technologie optique à rayons X
Pour atteindre les objectifs scientifiques extrêmement ambitieux de cette mission, le miroir d'Athena sera la plus grande optique à rayons X jamais construite. En effet, ces objectifs exigent une grande surface effective dans ce spectre. Par conséquent, l'optique du télescope doit pouvoir collecter et focaliser les rayons X à travers une grande structure circulaire d'environ 2,5 m de diamètre. Cette structure comportera près de 600 modules de miroirs très précisément alignés grâce à la nouvelle technologie Silicon Pore Optics (SPO). Elle devra être extrêmement rigide et stable pour atteindre les performances optiques visées. Le module MAM sera ensuite pointé vers deux instruments distincts au moyen d'un système directionnel complexe ultra précis.
Thales Alenia Space sera chargé de concevoir, développer et tester un démonstrateur grandeur nature du MAM, afin de valider ses fonctions critiques préalablement à l'adoption de la mission. Thales devra démontrer la maturité globale de la technologie et du processus retenus pour la mise en œuvre du projet Athena qui débutera en 2022. Elle devra donc démontrer l'aptitude à fabriquer et intégrer le miroir à sa taille réelle et sa compatibilité avec l'ensemble des exigences fonctionnelles et d'interface de la mission Athena. Le succès de la mission reposera en grande partie sur cette technologie.
Andrea Martelli, responsable des avant-projets scientifiques chez Thales Alenia Space (TAS), répond à nos questions très techniques :
Pourriez-vous nous décrire la technologie SPO (Silicon Pore Optics) ?
Andrea Martelli : Cette technologie SPO est actuellement développée par la société Cosine aux Pays-Bas. Le site web de l'ESA et de la Communauté Athena l'explique très bien : « La technologie SPO repose sur l'emploi de plaquettes (wafers) en silicium disponibles sur étagère, dont la qualité de surface (texture et rugosité) est parfaitement compatible avec les applications optiques à rayons X. Un module SPO se compose de deux empilements (stacks) de wafers intégrés ensemble. Le premier stack est un jeu de plaques-miroirs concentriques et confocales qui représentent les paraboloïdes (1re réflexion) à l'intérieur d'un système Wolter de type I emboîté, tandis que le second stack fait office d'hyperboloïdes (2e réflexion) dans ce même système. Chaque module agit ainsi comme une petite lentille à part entière. Le miroir complet peut être constitué en plaçant les modules en anneaux dont la taille diffère en fonction de la position du rayon dans la structure ».
Quelles sont les autres contraintes techniques et technologiques ?
Andrea Martelli : Le miroir d'Athena est la plus grande optique à rayons X jamais fabriquée. La principale contrainte technique est donc liée à la taille de sa structure, qui fait office de banc optique (d'un diamètre de 2,5 m pour une épaisseur globale de l'ordre de 250 mm), ce qui ne va pas sans poser quelques problèmes de disponibilité et d'approvisionnement de la matière brute. Pour cela, Thales Alenia Space peut compter sur sa longue expérience de l'achat et de la qualification de différents matériaux pour ses applications spatiales, et a trouvé une solution potentielle qui doit désormais être entièrement adaptée au miroir d'Athena.
Ce dernier doit en effet être aussi rigide que possible, tout en tenant compte des contraintes habituelles inhérentes aux missions spatiales comme la masse, la réponse en fréquence, l'opérabilité, etc. Les contraintes technologiques sont ensuite essentiellement liées à la forme complexe de la structure qui comprendra 600 logements de modules co-implantés et alignés avec une précision extrême.
Dans un premier temps, il est donc absolument indispensable de développer et tester un démonstrateur MAM (Mirror Assembly Module) grandeur nature, afin de valider la faisabilité technique et technologique d'une telle structure de miroir.
En quoi le miroir d’Athena diffère-t-il des précédentes générations ?
Andrea Martelli : Le miroir est l'un des éléments clés de ce télescope dont les performances dépendent de lui. Capable de combiner à la fois grand champ et haute résolution angulaire, il offrira des capacités d'observation très largement supérieures à celles des précédentes missions comme le montre la figure ci-dessous :
Pour rendre de telles performances possibles, le miroir obéit à un mode de conception et de mise en œuvre radicalement nouveau par rapport aux télescopes XMM-Newton, Chandra et autres satellites d'observation à rayons X. Par exemple, le module optique de XMM repose sur trois télescopes composés de 58 miroirs Wolter I à incidence rasante (coques monolithiques en nickel recouvertes d'une fine couche d'or) qui sont emboîtés dans une configuration coaxiale et confocale soudée à une extrémité sur une araignée. Une conception similaire a été adoptée pour Chandra et, plus récemment, Rosita.
Le miroir d'Athena est composé de 600 modules SPO répartis sur 15 rangées circulaires à l'intérieur de la structure. Par leur conception et fabrication, ces modules améliorent sensiblement la capacité de réflexion des rayons X vers les capteurs des instruments. Chaque module est relié à la structure au moyen de trois goupilles de positionnement qui, lors des phases d'intégration, calibration et test, permettent d'aligner parfaitement chacun de ces modules.
Le développement du démonstrateur MAM servira-t-il à d’autres applications ?
Andrea Martelli : Le développement du MAM défrichera le terrain pour d'autres applications spatiales, en particulier des missions scientifiques où les structures de miroir seront nécessaires pour servir de bancs optiques. Ce type de structures, soumises à d'importantes contraintes de stabilité thermique pour limiter les distorsions des optiques supportées, sont généralement fabriquées en matériaux céramiques ou métalliques à faible coefficient de dilatation thermique. Les matériaux céramiques sont cassants, nécessitent des procédés de fabrication très complexes et sont limités en taille en raison des contraintes des moyens de production.
Les dimensions et la complexité du miroir d'Athena ayant pratiquement exclu l'emploi de ce type de matériaux dans la conception, la solution adoptée par TAS pour ce programme repose sur une formule métallique qui répond au besoin d'un processus de fabrication plus simple et qui, par ailleurs, exige un strict contrôle des dilatations thermiques. La solution fait ainsi appel à un thermorégulateur actif dédié qui assure aux modules de miroir la stabilité requise. Elle pourra donc être exploitée dans le cadre de missions scientifiques spatiales pour des bancs optiques de tailles à la fois plus grandes et plus petites où le facteur coût peut aussi être intéressant.
Quelles sont les différences de technologies et de performances entre les télescopes XMM-Newton, Chandra et Athena ?
Andrea Martelli : Ces différences s'expliquent en partie par le niveau technologique propre à l'époque de chacune de ces missions, les missions XMM et Chandra remontant déjà à plus de 20 ans. Leur principale différence réside dans la technologie de fabrication du miroir, comme nous l'avons décrite dans cet article. Athena se distingue en particulier par la taille (2,5 m de diamètre) et la surface effective de son miroir ainsi que par la résolution en énergie et les dimensions générales du télescope, notamment sa longueur focale de 12 m (contre 7,5 et 10 respectivement pour XMM et Chandra), qui porte la longueur hors-tout du satellite à environ 15 m.
Enfin, toute l'électronique embarquée d'Athena sera au tout dernier standard technologique et contribuera ainsi au surcroît de performance et d'opérabilité du satellite.
En outre, les missions Chandra, XMM et Athena se distinguent par leurs opérations et activités scientifiques spécifiques. Le miroir optique de Chandra se focalise sur un point unique, ce qui oblige à déplacer les instruments montés dans le plan focal sur ce point au moyen d'un mécanisme dédié. En revanche, XMM est à même d'opérer ses instruments en parallèle par l'application d'un filtre sur le faisceau focalisé. Athena est, quant à lui, capable de déplacer tout l'ensemble miroir au moyen d'un mécanisme de basculement dédié pour focaliser le faisceau vers l'instrument cible.
La fabrication du miroir d’Athena incombera-t-elle à TAS ?
Andrea Martelli : Le but du démonstrateur grandeur nature MAM (Mirror Assembly Module Demonstrator), qui permettra de valider les fonctions les plus critiques du système, vise à confirmer l'aptitude de TAS à réaliser la conception, la fabrication, l'assemblage et la campagne de tests dans les temps pour l'adoption de la mission Athena. Le cas échéant, TAS sera le candidat tout désigné pour fabriquer le miroir du satellite, même si la compétition est encore ouverte à ce stade.
CE QU'IL FAUT RETENIR
- L'instrument X-IFU promet des avancées majeures dans le domaine de l’astrophysique des hautes énergies.
- La mission Athena est la seconde mission de classe L (Large) sélectionnée par l’ESA en juin 2014 dans le cadre de son programme scientifique Cosmic Vision. Elle sera lancée au début des années 2030.
- Athena est un observatoire spatial pour l’exploration de « l’Univers chaud et énergétique ».
Le télescope spatial Athena X va révolutionner notre connaissance de l'univers
Article de Rémy Decourt publié le 26/05/2019
Le futur observatoire spatial X de l'agence spatiale européenne sera lancé au début des années 2030. Il embarquera X-ray Integral Field Unit, un instrument révolutionnaire qui a nécessité une étude de faisabilité pour s'assurer d'être en mesure de pouvoir le réaliser. Cette étude s'est conclue positivement ouvrant la voie à un instrument qui promet des avancées majeures dans le domaine de l'astrophysique des hautes énergies.
Aujourd'hui, les questions scientifiques et les progrès technologiques déclenchent de nouveaux projets spatiaux pour répondre aux questions générées par les données des instruments qui précèdent ces futurs projets. Un cycle sans fin qui pousse scientifiques et ingénieurs à réaliser des instruments très innovants dont certains nécessitent des sauts technologiques significatifs.
Athena (Advanced Telescope for High ENergy Astrophysics), le futur observatoire spatial dans le X de l’Agence spatiale européenne n'échappe pas à cette règle. Le principal objectif de cet observatoire est de répondre aux grandes questions posées par le thème scientifique de l'Univers chaud et dynamique. À savoir, comment « la matière ordinaire s'assemble pour former les structures que nous voyons aujourd'hui à grande échelle et comment les trous noirs naissent, évoluent et façonnent l'univers tel que nous l'observons », explique Étienne Pointecouteau, chercheur CNRS à l'Institut de recherche en astrophysique et planétologie (Irap) et responsable adjoint du conseil scientifique de l'instrument X-IFU d'Athena.
Une étude de faisabilité pour s'assurer qu'il pourra être conçu !
Pour cela, il sera doté de deux instruments principaux dont le X-ray Integral Field Unit : un spectro-imageur haute résolution spectrale, bien plus puissant que ses prédécesseurs et qui promet des avancées majeures dans le domaine de l'astrophysique des hautes énergies. Pour vous donner une idée du saut de performance, X-IFU sera doté d'une résolution spectrale de 2,5 eV sur l'ensemble de son champ de vue de 5 arc-minutes, soit de 50 à 60 fois mieux que les performances actuelles des spectro-imageurs embarqués par XMM-Newton et Chandra.
Le X-IFU est considéré comme l'instrument le plus ambitieux jamais considéré pour une mission spatiale
Autre exemple, la surface collectrice des Le nom photon vient du grec et signifie "lumière". En effet, le photon transmet l'interaction électromagnétique, la lumière étant un exemple d'onde électromagnétique." data-url="/sciences/definitions/physique-photon-3500/" data-more="Lire la définition">photons (en cm2) sera supérieure d'un facteur 45 à celle de l'observatoire spatial XRISM de la Jaxa (Japon), qui devrait voler avant nous (2021). Quant à la résolution spectrale, elle sera deux fois meilleure que celle du Japonais et la taille des pixels sera vingt fois plus petite, ce qui donnera à X-IFU des images de bien meilleure qualité. « Le X-IFU est considéré comme l'instrument le plus ambitieux jamais considéré pour une mission spatiale », précise Didier Barret, chercheur CNRS à l'Irap et responsable scientifique du consortium X-IFU
La matrice de détecteurs (microcalorimètres), l'électronique de lecture et la chaîne cryogénique (les détecteurs seront refroidis à une température proche du zéro absolu), sont les technologies les plus innovantes. Pour s'assurer que le concept de l'instrument, défini par les exigences scientifiques, arrivera à des performances conformes aux spécifications émanant de l'équipe scientifique, une étude de faisabilité de 4 mois a été nécessaire.
Les conclusions de cette étude ont été présentées ce mardi 21 mai. L'agence spatiale européenne et le Centre national d'études spatiales ont confirmé la faisabilité de cet instrument. Celui-ci entre maintenant dans sa phase de définition préliminaire qui va durer environ 3 ans. Si le planning est respecté, la