ATHENA, un défi technique pour la nouvelle génération de télescope de rayon X

Le laboratoire APC est très impliqué dans le développement de X-IFU, le spectromètre à haute résolution de Athena, le futur observatoire spatial à rayon X européen dont le lancement est actuellement prévu en 2031. Le résultat ici décrit revient sur une nouvelle étape dans le développement de la chaîne de lecture de X-IFU.

Puissantes sources de rayons X, les phénomènes extrêmes comme les trous noirs, les amas de galaxies et les explosions d’étoiles, sont de véritables archives qui nous informent sur les grandes étapes de la formation et de l’évolution de l’Univers. Observer ces rayons X sur ces régions les chaudes et énergétiques de l’Univers constitue donc un enjeu considérable de l’astrophysique des hautes énergies. Les rayons X – étant cependant absorbés par l’atmosphère terrestre, ils ne peuvent alors être observés que depuis l’espace.

Le futur télescope spatial européen Athena (Advanced Telescope for High ENergy Astrophysics) aura ainsi pour mission d’observer ces sources de rayons X avec un niveau de détail et une sensibilité inégalée. Athena devrait être placé en orbite à l’horizon 2031 par un lanceur européen. Pour remplir sa mission, Athena sera doté de plusieurs instruments de nouvelle génération, dont le spectromètre intégral X-IFU (X-ray Integral Field Unit). Le développement et la construction de X-IFU est assuré par un consortium français.

La spécificité principale de X-IFU est sa résolution spectrale énorme, puisque l’instrument devrait être capable, à terme, d’obtenir un spectre pour chaque pixel, soit une résolution 100 fois supérieures aux détecteurs actuels. Cette précision jamais vue sera permise grâce à des microcalorimètres supraconducteurs à rayons X. Ces derniers captent l’énergie laissée par un photon à rayons X. C’est ainsi cette fluctuation thermique qui est associé au signal rayons X. L’amplitude de ce signal étant cependant très fine, le spectromètre doit fonctionner à des températures très basses. Une partie de l’instrument se retrouve alors plongée dans un cryostat atteignant une température inférieure à 0,1 Kelvin.

Ces performances exceptionnelles permettront aux scientifiques de déterminer la température, la vitesse, ou la composition chimique des gaz dans une zone observée, ou encore de suivre la matière engloutie par les gigantesques trous noirs situés au cœur des galaxies les plus massives. Mais ces avancées majeures requièrent encore de nombreuses technologies innovantes en cours de développement.

Le laboratoire APC est notamment particulièrement impliqué dans le développement de la chaîne de lecture cryogénique de X-IFU. La publication ici mise en avant revient par ailleurs sur une nouvelle étape dans le développement par des chercheurs de l’APC de la warm front end electronic (WFEE)de la chaîne de lecture, c’est-à-dire la partie « chaude » de la chaîne, car située à l’extérieur du cryostat.  

L’équipe de microélectronique de l’APC a ainsi construit des prototypes des amplificateurs de signaux présents sur la partie WFEE de la chaîne de lecture. De nombreuses mesures ont ensuite étaient effectuées sur ces amplificateurs, afin de caractériser des paramètres clés comme le gain, le bruit ou la bande passante de ces composants. Ces modèles obtenus sont essentiels afin de proposer dans un premier temps une simulation numérique de la WFEE de la chaîne de lecture, puis à terme, de l’ensemble du détecteur.

En effet, le développement de projets de telles ampleurs consiste à trouver un compromis entre les performances scientifiques souhaitées (ici une précision jamais atteinte pour la mesure de rayon X) et les contraintes techniques (ici un instrument maintenu en orbite à très basse température). Les simulateurs numériques constituent ainsi des outils indispensables afin d’ajuster au fur les propriétés de l’instrument et définir un cahier des charges techniques de plus en plus précis.

Le résultat décrit dans cette publication scientifique représente donc qu’une brique supplémentaire, mais essentielle au développement d’Athena.

Références :

Prêle, Damien, Si Chen, Alexis Coleiro, Peggy Varniere, Philippe Peille, Laurent Ravera, et Christian Kirsch. « Warm front end electronic modelization for the X-IFU ATHENA readout chain simulation ». In Space Telescopes and Instrumentation 2020: Ultraviolet to Gamma Ray, 11444:114443U. International Society for Optics and Photonics, 2020. https://doi.org/10.1117/12.2560367

Le LabEx UnivEarthS a contribué à cette recherche par le financement du projet Jeune Equipe MIMOSA (JE4).

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