ATHENA: Le grande observatoire d’Astronomie X

I.   Le telescope
II.  ATHENA@APC: WFEE for XIFU
III. Equipe
IV. Publication et presentation
V.  Grand public

 


I. Le telescope

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 s'incrit dans le 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 américaine et japonaise.
Actuellement en phase A (phase d’étude de concept pour les laboratoires), une « adoption » de la mission fin 2019 engagera la phase industrielle du projet suivie d'une phase de construction qui aboutira à un lancement autour de 2032. 

Figure 1: Schéma du satellite Athena – crédit ESA.

L'observatoire Athena embarquera trois élements clés:
 

  • un télescope en rayons X de 12 m, capable de focaliser les rayons X d'énergie entre 0.5 et 12 keV une résolution spatiale d’environ 5 arcsec, et une grande surface effective de 1,4 m2 (à 1 keV), utilisant une technologie innovante, les miroirs SPO (Silicon Pore Optics) développées par l’ESA;
  • un spectro-imageur grand champ (40'x40') offrant une résolution spectrale de 150 eV: le WFI (Wide Field Imager);
  • un spectro-imageur doté d'une résolution spectrale exceptionnelle de 2.5 eV: le X-IFU (X-ray Integral Field Unit).


Ces éléments 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, à la bonne résolution angulaire et surtout à l’exceptionnelle résolution spectrale de 2.5 eV du spectromètre X-IFU.
 

Figure 2: Schéma du spectromètre X-ray Integral Field Unit (X-IFU) à bord du satellite Athena– crédit ESA

Les objectifs principaux d'Athena consistent à apporter des réponses à deux questions fondamentales :
 

  • 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 et quels effets ont-ils sur l'évolution de l'univers ?

Plus généralement, ce grand observatoire fournira une contribution unique à l'étude de l'univers des hautes énergies, en particulier dans les domaines des
objets compacts (trous noirs, étoiles à neutrons, naines blanches), des sources transitoires, 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.

Plusieurs de ces thématiques rejoignent les sujets de recherche des groupes "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;
  • Les processus d’accélération et les interactions des particules;
  • La variabilité et la spectroscopie des noyaux actifs de galaxies;
  • Les relevés profonds cosmologiques et les amas de galaxies;
  • Les événements transitoires haute énergie et l’astronomie multi-messagée.


Enfin, la troisième mission de type Large (L3) est dédiée à l'étude de l'univers gravitationnel avec l'instrument LISA sur lequel l'APC est également impliqué. Destiné à être mis sur orbite tout comme Athena à l'horizon 2030-2035, les deulemx instruments pourraient fonctionner en synergie, assurant ainsi à l'Europe une position priviligiée dans l'exploration de l'univers multi-messager. 

 


II. ATHENA@APC: WFEE for XIFU

L’électronique de proximité « chaude » (Warm Front End Electronics - WFEE) de l’instrument X-IFU d’ATHENA est depuis le début de la Phase A (2015) sous la responsabilité de l’APC. Les développements ont jusqu'ici principalement porté sur la réalisation d’ASICs comportant les fonctions majeures du WFEE :

 -LNA (1nV/√Hz, 6 MHz, Drift < 500 ppm/K) -Buffer (3nV/√Hz, 6 MHz, Drift < 50 ppm/K)

 -Sources de courant ajustables (200µA, 10pA/√Hz)

 -Protocole de communication I2C/RS485

Ainsi, les circuits développés comprennent des architectures bas bruit et à très faible dérive de gain.

 

Cependant, l'intégration de près de 100 voies de cette électronique de lecture est aussi sous la responsabilité de l'APC travaillant à la conception des boitiers disposés autour du dewar de l'instrument X-IFU. Ces développements intègrent des problématiques de thermiques et d'EMI/EMC.

 


III. Equipe

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 :

 

Responsables projet

  • Andrea GOLDWURM (Responsable scientifique APC - Co-I X-IFU Science)
  • Florence ARDELLIER (Chef de projet APC)
  • Damien PRELE (Ingénieur Système - Co-I instrument X-IFU et membre du groupe de travail "chaine de detection")

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

  • Alexis COLEIRO (E2E simulator,segment sol WFEE)
  • Peggy VARNIERE  (WP2, WP2.5, E2E simulator)
  • Philippe LAURENT (Responsable simulations environnement)
  • Stefano GABICI
  • Régis TERRIER

Equipe instrumentation (Services APC : Electronique, Micro-électronique, Mécanique, Techniques Expérimentales, Administration.)

  • Alain GIVAUDAN (Architecte mécanique et thermique)
  • Bernard COURTY (Contrôle commande)
  • Fabrice VOISIN (Micro-electronique)
  • Jean MESQUIDA (Micro-electronique)
  • Maurice KARAKAC (Mécanique)
  • Damien PAILOT (AIT/AIV)
  • SI CHEN (Conception ASIC PhD - 11/16-10/19) 

Support team 

  • Stéphane DHEILLY (Atelier  mecanique)
  • Vincent GUIFFO (Administration)
  • Stéphane COLONGES (Controle qualité)
  • Sarodia VYDELINGUM (Communication)

Membres associés

  • James BARTLETT
  • Jacques DELABROUILLE
  • Yannick GIRAUD-HERAUD
  • Paolo GOLDONI
  • Etienne PARIZOT
  • Michel PIAT (Instrumentation cryo.)

IV. Publication et presentation

  • S. Chen et al., RHBD for WFEE of X­IFU/ATHENA Space Observatory, SERESSA, 2018. S. Chen et al., Development of the WFEE Subsystem for the X­IFU Instrument of the ATHENA Space Observatory, SPIE Space Telescopes and Instrumentation, 2018.
  • D. Barret et al., The Athena X­ray Integral Field Unit (X­IFU), SPIE Space Telescopes and Instrumentation, 2018.
  • D. Prêle et al., SiGe Integrated Circuit Developments for SQUID/TES Readout,
  • Journal of Low Temperature Physics, 2018.
  • S. Chen et al., Amplificateur bas bruit à faible dérive de gain en technologie BiCMOS AMS SiGe 350 nm, Ecole IN2P3 de Microélectronique, 2017
  • D. Prêle et al., Total dose (up to 100 krad) testing of a 0.35 BiCMOS SiGe technology, Ecole IN2P3 de microélectronique, 2017.
  • D. Barret et al., The Athena X­ray Integral Field Unit (X­IFU), SPIE Space Telescopes and Instrumentation, 2016.
  • T.L. Trong et al., X­IFU technical challenge, SPIE Space Telescopes and Instrumentation, 2016.
  • D. Prêle et al., Gain drift compensation with no feedback­loop developed for the X­Ray Integral Field Unit/ATHENA readout chain, Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems, Vol. 2(4), 2016.
  • D. Prêle, Front­end Multiplexing applied to SQUID multiplexing, Journal of Instrumentation, Volume 10, 2015.

V. Grand Public

Liens