ATHENA: Le grande observatoire d’Astronomie X

La mission Athena (Advanced Telescope for High ENergy Astrophysics) est la deuxième mission spatiale de type Large (L2) du programme à long terme Cosmic Vision de l’Agence Spatiale Européenne (ESA). Cette mission est dédiée au thème scientifique The hot and violent Universe qu’elle prévoie d’explorer avec la mise en orbite à l’horizon 2028 d’un grand observatoire d’astronomie X conçu par un consortium d’instituts européens, en particulier de France, d’Allemagne et d’Italie, et avec une participation US et japonaise.

Figure 1: Mission spatiale d'astronomie X : Athena (>12 m de long) – crédit ESA.

Athena est un observatoire composé d’un grand télescope X de 12 mètres capable de focaliser les rayons d’énergies entre 0.1 – 12 keV alternativement dans le plan focal de deux instruments différents, l’imageur grand champ wide field imager (WFI) et le spectromètre à haute résolution X-ray Integral Field Unit  (X-IFU). Les objectifs principaux d'Athena consistent à apporter des réponses à deux questions fondamentales non encore résolues :

  • Comment la matière s'assemble-t-elle dans l'univers pour former les grandes structures que l’on observe (amas de galaxies et galaxies) ?
  • Comment se forment et grossissent les trous noirs géants et quels effets ont-ils sur l'évolution de l'univers ?

Mais ce grand observatoire permettra aussi de mener à bien d'autres études d’astrophysique et de cosmologie, en particulier dans les domaines des objets compacts (trous noirs, étoiles à neutrons, naines blanches), des restes des supernovæ et des nébuleuses de pulsars, de la physique des amas de galaxies et des noyaux actifs de galaxies (AGN), des plasma chauds du milieu interstellaire, des étoiles, et aussi de certains phénomènes du système solaire.

Actuellement trois observatoires X sont en phase d’opération : XMM-Newton de l’ESA, Chandra et Nu-STAR de la NASA. Dans un futur proche, deux autres missions X seront lancées: eROSITA/SRG (mission russe/allemande) et une nouvelle version de Astro-H (XARM, mission principalement japonaise et américaine avec participation ESA). Ces missions apportent et continuerons d’apporter d’importantes contributions dans le domaine des relevés des sources X, des amas des galaxies et des AGN, ainsi que dans l’étude des sources de rayons X durs et des phénomènes non-thermiques. ­­Athena représente une perspective essentielle pour ce domaine de recherche en astrophysique et en cosmologie. La France et notamment l’APC, dont des chercheurs exploitent largement les données de XMM et ils ont contribué directement au projet Astro-H, participent à ce grand projet scientifique international.

Le concept de mission Athena comprend trois éléments clés :

  • un télescope en rayons X avec une focale de 12 m, une résolution spatiale d’environ 5 arcsec, et une grande surface effective de 2 m2 à 1 keV, utilisant une technologie innovante, les miroirs SPO (Silicon Pore Optics) développées par l’ESA
  • un spectro-imageur grand champ (40 arcmin) avec une résolution spectrale modérée (< 150 eV), le WFI (Wide Field Imager).
  • un spectro-imageur haute résolution spectrale (2.5 eV FWHM), le X-IFU (X-ray Integral Field Unit)

Ces détecteurs lui conféreront une capacité d'observation supérieure de deux ordres de grandeur aux instruments de la génération précédente. Athena permettra ainsi des avancées spectaculaires dans tous les domaines scientifiques, grâce en particulier à la très large surface collectrice d’environ 2 m2, à la bonne résolution angulaire de 5" combinés au grand champ de vue et surtout à l’exceptionnelle résolution spectrale de 2.5 eV du spectromètre X-IFU.

Figure 2: Le spectromètre X-ray Integral Field Unit (X-IFU) dans le satellite Athena– crédit ESA. X-IFU est composé d'un cryostat avec 4000 TES/microcalorimètres refroidit à 50 mK.

La mission Athena a été sélectionnée comme une mission de classe Large dès 2014. Elle est actuellement en ­­­ phase A, une phase d’étude de concept pour les laboratoires. Une « adoption » de la mission vers 2019 engagera la phase industrielle du projet et une phase de construction suivra pour aboutir à un lancement en 2028.

Plusieurs thématiques scientifiques d’Athena se recouvrent avec les sujets de recherche propres des groupes d’Astrophysique de Haute Energie et Cosmologie du laboratoire APC, en particulier :

  • Le centre Galactique et le trou noir super-massif de la Galaxie
  • Les objets compacts galactiques
  • La variabilité et spectroscopie des AGN
  • Les relevés profonds cosmologiques et les amas de galaxies
  • Les processus d’accélération et les interactions des particules

L’APC participe au projet dans le cadre de la contribution française à la mission, en particulier à l’intérieur de consortium X-IFU d’Athena.  Les principales responsabilités et taches APC identifiées sont :

  • A. Goldwurm : Co-Investigateur scientifique X-IFU  et membre de la X-IFU Science Team,membre d’un ASWG, point de contact APC au niveau national pour Athena, point de contact IN2P3 du projet Athena
  • D. Prêle : membre « X-IFU instrument Co-Investigator », participe aux groupes de travails CNES « projet X-IFU », « Instrument X-IFU », « chaine de detection », « multiplexage » et « TDM »..
  • P. Laurent : Co-Chair du Athena Science Working Group sur le bruit de fond (background), membre équipe système X-IFU comme expert en simulations et bruit de fond
  • S. Gabici, Y. Giraud-Heraud, R. Terrier aussi membres d’ASWG ATHENA
  • Développement du sous-système d’électronique de proximité chaude (Warm Front End Electronics, WFEE) du spectromètre X-IFU.
  • Participation au programme de simulations X-IFU.

 

Liste des agents APC impliqués

Equipe scientifique (Groupes thématiques APC : Astrophysique de Haute Energie et Cosmologie)

  • LAURENT Philippe (Responsable simulations)
  • BARTLETT James
  • DELABROUILLE Jacques
  • GABICI Stefano
  • GIRAUD-HERAUD Yannick
  • GOLDONI Paolo
  • GOLDWURM Andrea (Responsable scientifique)
  • PARIZOT Etienne
  • PIAT Michel
  • TERRIER Régis
  • VARNIERE Peggy

Equipe technique (Services APC : Electronique, Micro-électronique, Mécanique, Administration.)

  • BARONICK Jean Pierre
  • BEILLIMAZ Cyril
  • CHEN Si
  • DHEILLY Stéphane
  • KUO KWAN Chan
  • PRELE Damien (Chef de Projet WFEE)
  • SILVA Béatrice
  • VOISIN Fabrice

 

Warm Front End Electronics – WFEE :

Le développement de la chaine de lecture de proximité est l’une des principales activités techniques en cette période de phase A de la mission Athena. En particulier, les choix technologiques permettant d’assurer un bon fonctionnement en environnements spatiales sont largement étudiés. L’électronique est dite chaude, car elle fonctionne à l’extérieur du cryostat. Le cœur de cette électronique utilise des ASICs (circuit intégrés) développés à l’APC et utilisant une technologie BiCMOS SiGe qui a déjà fait ses preuves sur la chaine de lecture QUBIC (qubic.in2p3.fr).

 

                                          

 

Figure : (gauche) L’électronique WFEE sur l’instrument X-IFU. Elle est composée de trois boitiers intégrants 4 ASICs chacun. (droite) Photographie du premier ASIC développé pour Athena : AwaXe_v1 (athena warm asic for the X-ifu electronics).

La caractérisation des ASICs utilise des infrastructures comme la « salle bas bruit basse fréquence » de l’APC, ou des facilités de test en radiation situées au CEA ou à l’UCL :

      

Figure 3: Tests en dose des ASIC à COCASE-CEA Saclay avec une source de Cobalt 60; Tests SEL au cyclotron de Louvain la Neuve - UCL; Test thermique en salle bas bruit - APC.

Le service micro-électronique de l’APC est largement investit dans ces développements avec un travail tout particulier sur le design des amplificateurs bas bruit qui ont une contrainte très forte de stabilité de gain.

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