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Univers du X : matière noire, trous noirs et divers phénomènes observés

Hitomi, le nouvel observatoire spatial japonais qui regarde dans le domaine X, vient d'être lancé. Ce satellite de près de trois tonnes embarque des instruments dernier cri, bien plus précis que la génération précédente. Les détails avec deux spécialistes qui y ont contribué.

Hitomi a pour objectif scientifique l'observation et l'étude de l'univers chaud et énergétique, notamment l'étude des grandes structures de l'univers dont le gaz chaud situé dans les amas de galaxies et son interaction avec la matière noire. © Jaxa Hitomi a pour objectif scientifique l'observation et l'étude de l'univers chaud et énergétique, notamment l'étude des grandes structures de l'univers dont le gaz chaud situé dans les amas de galaxies et son interaction avec la matière noire. © Jaxa

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Le satellite japonais Astro-H de la Jaxa et de l'ISAS a été lancé avec succès le 17 février par une fusée H-IIA 204 depuis la base de Tanegashima. Astro-H est un observatoire à rayons X et gamma composé de 6 télescopes et détecteurs d’une masse de 2,7 tonnes développé en partenariat avec la Nasa, l'Esa, l'Agence spatiale canadienne et 67 autres agences et institutions, dont le Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA). Baptisé Hitomi dès sa mise en orbite, ce satellite est le successeur de l'observatoire Suzaku (Astro-E2) lancé en 2005. Placé à 575 km d'altitude, il étudiera les phénomènes les plus énergétiques et les plus énigmatiques de l’univers, comme la matière noire, les trous noirs et divers phénomènes « exotiques » avec une résolution sans précédent. Il doit fonctionner pendant au moins trois ans.

Il a rejoint en orbite une constellation de nombreux autres satellites X, preuve de l’intérêt de cette longueur d’onde dans l’observation du ciel. Chandra (Nasa) qui offre une meilleure résolution que XMM-Newton (Esa), lequel, cependant, l'emporte pour la sensibilité. Astrosat, le premier satellite astronomique de l’Inde, travaille quant à lui sur une couverture plus large à la différence de Nustar, autre satellite de la Nasa, caractérisé par une très longue focale.

Hitomi se différencie de ces autres satellites par au moins trois atouts majeurs :

  • Il emporte pour la première fois un microcalorimètre qui pourra mesurer l’énergie des photons avec une précision inégalée, d’un facteur de plus de 10 par rapport à ses prédécesseurs ;
  • Il aura une gamme en énergie allant de 0,5 à 600 keV, couvrant ainsi la gamme d’XMM-Newton, NuStar et Integral/Ibis et ce simultanément. En effet, les sources à haute énergie étant très variables, il est important d'en mesurer tout le spectre au même instant ;
  • Enfin, il pourra mesurer la polarimétrie des sources X entre 50 et 600 keV, ce qui n’a jamais été fait jusqu’à présent. Integral a déjà mesuré la lumière X polarisée de quelques sources mais seulement au-delà de 300 keV.

Hitomi est un satellite de 14 mètres de long pour une masse de 2,7 tonnes. Il est équipé de six télescopes et détecteurs à rayons X d’une résolution sans précédent et dispose d'un mât extensible de plus de 6 mètres, ce qui permet de disposer d'une focale de 12 mètres pour certains des instruments qu'il embarque. © Domaine public
Hitomi est un satellite de 14 mètres de long pour une masse de 2,7 tonnes. Il est équipé de six télescopes et détecteurs à rayons X d’une résolution sans précédent et dispose d'un mât extensible de plus de 6 mètres, ce qui permet de disposer d'une focale de 12 mètres pour certains des instruments qu'il embarque. © Domaine public

Des instruments innovants

Le rôle du CEA dans ce programme est tout sauf anecdotique nous expliquent Philippe Laurent, docteur en astrophysique, ingénieur-chercheur, et Matthieu Hamel, docteur en chimie organique, ingénieur-chercheur, appartenant tous deux à cet organisme. Le CEA avait déjà une collaboration scientifique avec les Japonais depuis plusieurs années dans le cadre de Suzaku. Avec Astro-H, « c’est la première fois qu’une contribution technologique nous était demandée par des Japonais, en l’occurrence sur les instruments HXI (Hard X-ray Imager) et SGD (Soft-Gamma-ray Detector) ». Le CEA est un des trois laboratoires au monde à maîtriser la technologie des détecteurs CdTe (tellurure de cadmium) utilisée pour ces deux télescopes. En effet, elle est « très similaire à ce que le CEA met au point depuis plus de 10 ans suite à la construction du détecteur ISGRI pour le satellite Integral de l’Esa ».

Concernant la source d’étalonnage, la Jaxa souhaitait une source de très faible intensité et très précisément étalonnée. Pour y parvenir, il a fallu incorporer une « source radioactive dans un scintillateur plastique puis le rendre hermétique, tout en assurant une réponse homogène dans l’ensemble du volume. La métrologie du rayonnement a permis de qualifier au millibecquerel près l’activité de la source intégrée dans le matériau ». Différents types de scintillateurs intégrant une source radioactive ont été fournis, « dont deux ont été utilisés dans le satellite ». Enfin, le CEA a conçu des détecteurs-témoins, similaires à ceux embarqués, mais qui resteront au sol pour des tests de suivi de la mission.

Pour la peine, les chercheurs du Service d’Astrophysique du CEA auront un accès aux données scientifiques produites par Hitomi tout au long de sa mission et le CEA est d’ores et déjà en « discussion pour d’éventuelles futures missions japonaises d’astronomie à haute énergie à l’horizon 2025 – 2030 ».


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