27 Mars 2024

Instrument X-IFU

Objectifs scientifiques 

Le satellite ATHENA, futur télescope spatial de l'Agence spatiale européenne, sera placé au point de Lagrange L1, à 1,5 million de kilomètres de la Terre.


Vue arrière du satellite ATHENA - Crédits : IRAP.

Il transportera 2 instruments :

  • Le spectromètre X-IFU (X-ray Integral Field Unit) 
  • L’instrument WFI (Wide Field Imager)

 

bpc_xifu_2.jpg

Représentation simplifiée du satellite ATHENA - Crédit  : ESA

À propos de l’instrument X-IFU 

X-IFU est un spectromètre à rayons X révolutionnaire. Il observera, au sein de l'univers les phénomènes les plus chauds et les plus énergétiques, un monde d'amas de galaxies, de trous noirs et d’explosions d’étoiles.  Il sera positionné au plan focal d’un télescope de 12 mètres.

L'astronomie en rayons X est l'étude des objets et phénomènes astronomiques qui émettent un rayonnement en rayons X. L'atmosphère terrestre absorbe la plupart de ces rayons et c’est la raison pour laquelle les télescopes à rayons X et les détecteurs doivent être embarqués à haute altitude. De nos jours, deux observatoires spatiaux qui sont XMM-Newton de l'ESA et Chandra de la NASA fonctionnent et fournissent des observations exceptionnelles des sources de rayons X cosmiques. À l'avenir, le télescope spatial Athena et son instrument X-IFU permettront des observations  encore plus fines sur les sources de rayons X que ce qui étaient accessibles  jusqu’alors. 


Etoile en explosion - Crédits : IRAP.

X-IFU combine une haute résolution spectrale avec une imagerie de haute qualité. En d'autres termes, l’instrument sera capable de capturer des images d'objets astrophysiques dans lesquels chaque pixel de l'image fournira un spectre complet contenant beaucoup d'informations sur les objets observés. Grâce à ses capacités sans précédent, X-IFU permettra aux astrophysiciens de répondre à deux questions fondamentales sur l'Univers : comment la matière s’est-elle assemblée pour former l’Univers et comment les trous noirs naissent, grossissent et façonnent l’univers ? Ceci, en extrayant des informations révolutionnaires sur la formation et l'évolution des grandes structures de la matière observées dans l'Univers.


Prototype de la matrice de détecteurs X-IFU fabriquée par NASA-GSFC - Crédits : NASA-GSFC.

Les détecteurs TES (Transition Edge Sensors) utilisés sur X-IFU sont comme des thermomètres ultrasensibles, d’une précision inégalée ils mesureront les variations de chaleur causées par l’absorption des photons. Ils seront placés dans un environnement proche du zéro absolu, à 50 mK, température atteinte à l’aide d’une chaîne cryogénique complexe. Ainsi, le plan de détection de X-IFU sera l’endroit le plus froid de l’Univers.


Représentation des photons atteignant le miroir - Crédits : IRAP.

Des milliers de ces microcalorimètres sont assemblés. Ils sont refroidis au zéro presque absolu (-273,1°C / 50mK ou millikelvin) par une chaîne de refroidissement complexe pour augmenter leur sensibilité aux légères variations de température. L'augmentation de température mesurée par le microcalorimètre est convertie par des thermomètres supraconducteurs en un signal électrique qui est lu par une électronique de haute précision. Les signaux sont analysés individuellement pour estimer avec précision l'énergie de chaque photon, donnant accès aux conditions dans lesquelles ils ont été émis.

La configuration de base de la matrice de détection d’X-IFU contient un ensemble de détecteurs  carrés de 317 x 317 μm2 organisés en un hexagone correspondant à un champ de vision de 4' de diamètre équivalent. Dans sa configuration actuelle, le nombre total de pixels de la matrice de détecteurs de X-IFU est de 1504, répartis en 4 groupes de 376 pixels chacun. Chaque groupe de 376 pixels est lu par un système électronique indépendant, de sorte qu'une défaillance n'entraîne pas une perte supérieure à un quart de l'ensemble de la matrice de détection. La résolution spectrale requise est de 4 eV au niveau de la mission mais l’objectif de conception est de 3 à 3,5 eV jusqu'à 7 keV au niveau de l'instrument.

Grâce à cette technologie de pointe, la capacité d’observation de X-IFU sera supérieure de deux ordres de grandeur à celle des instruments de la génération précédente, ce qui permettra ainsi des avancées spectaculaires dans tous les domaines scientifiques.

En 2022, Athena est entré dans une phase de reformulation qui a abouti à une nouvelle configuration de base pour ce télescope et pour l'architecture cryogénique de X-IFU. Elle repose sur un système de refroidissement passif mis en œuvre au niveau du Payload Compartment (PLC, compartiment charge utile), basé sur un ensemble de trois radiateurs cryogéniques en forme de L, appelés V-grooves, fournissant un environnement de 50K ( kelvins) à l'instrument. Il comprend : un Dewar avec une enveloppe extérieure à 50K, qui héberge le cœur cryogénique de l'instrument contenant le détecteur, un réfrigérateur cryogénique délocalisé, appelé réfrigérateur 4K, fournissant un refroidissement actif aux étages internes de l'instrument dans les plages 20K et 4K et un réfrigérateur à désaimantation adiabatique (ADR) multi-étagé, capable de refroidir l'étage du détecteur jusqu'à 50mK à partir de l'étage 4K. 

Ce qui change sur X-IFU depuis la phase de reformulation :


Configuration de l’instrument X-IFU suite à la reconfiguration de la mission - Crédits : ESA (à gauche) / CNES (à droite).