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Découvrez Athena, le futur observatoire spatial européen

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L'Agence spatiale européenne a sélectionné la seconde grande mission de son programme scientifique Vision Cosmique. L'observatoire Athena, un satellite X conçu pour étudier l'univers chaud et énergétique, sera lancé en 2028 et remplacera, à lui seul, les satellites XMM-Newton (Esa) et Chandra (Nasa). Rencontre avec Étienne Pointecouteau, responsable adjoint du conseil scientifique d'un des deux instruments scientifiques.

Études conceptuelles du télescope Athena, de Thales Alenia Space (gauche) et d'Airbus Espace (à droite), qui ne préfigurent en rien le satellite qui sera construit. L'instrument devra être réalisé dans la décennie à venir et sera le meilleur du genre pour observer dans le domaine des rayons X. © Athena Science team

En novembre 2013, l'Agence spatiale européenne décidait du thème de ses deux prochaines grandes missions spatiales. L'univers chaud et dynamique et la traque des insaisissables ondes gravitationnelles devenaient sa priorité. Aujourd'hui, elle confirme un de ses choix et sélectionne Athena, pour Advanced Telescope for High ENergy Astrophysics, un observatoire spatial de pointe qui fonctionnera dans le domaine X. Pour l'équipe scientifique en charge du projet, cette sélection met fin à plus de 15 ans de travail, de propositions et de lobbying et va les occuper durant les 15 à 20 prochaines années.

Cet observatoire sera lancé à l'horizon 2028 par un lanceur européen qui devrait être une Ariane 5, voire une Ariane 6. Mis en orbite autour du point de Lagrange 2, choisi pour sa grande stabilité gravitationnelle et sa situation en dehors des ceintures de radiation, il sera positionné dans la direction opposée au Soleil. Il fonctionnera pendant au moins cinq ans mais la mission est conçue pour une décennie.

Athena remplacera XMM-Newton et Chandra, deux observatoires spatiaux. Si Chandra offre une meilleure résolution que XMM-Newton, lequel l'emporte pour la sensibilité, la mission Athena « fera plus que combiner les performances de ses illustres prédécesseurs, puisqu'elle dépassera de loin les capacités en spectro-imagerie des rayons X de XMM-Newton et Chandra », explique Étienne Pointecouteau, chercheur CNRS à l'Irap (Toulouse) et responsable adjoint du conseil scientifique de l'instrument X-IFU d'Athena. En effet, la surface collectrice de cet instrument surpassera d'un facteur 10 celle de XMM-Newton et d'un facteur avoisinant 40 celle de Chandra. Ainsi, avec ses 5" de résolution spatiale et sa très grande sensibilité, cet observatoire nous « apportera la spectro-imagerie de sources très peu brillantes, comme par exemple les premiers trous noirs ou les premiers groupes de galaxies formés dans l'univers ».

Cinq vues de la galaxie d’Andromède dans les domaines radio, infrarouge, optique, ultraviolet et X. Les longueurs d'onde X, absorbées par l'atmosphère terrestre, ne peuvent être étudiées que depuis l'espace. © Nasa

Des objectifs scientifiques ambitieux

Le principal objectif de cet observatoire est de répondre aux grandes questions posées par le thème scientifique l'univers chaud et dynamique. À savoir comment « la matière ordinaire s'assemble pour former les structures que nous voyons aujourd'hui à grande échelle et comment les trous noirs naissent, évoluent et façonnent l'univers tel que nous l'observons ».

Pour répondre à la première question, il est nécessaire de cartographier la distribution du gaz chaud dans les grandes structures de l'univers, « en particulier le gaz contenu dans les groupes, les amas de galaxies et le milieu intergalactique » et en déterminer les propriétés physiques ainsi que leur évolution au cours du temps. « C'est la clé de notre compréhension des processus gouvernant la formation des structures de l'univers de l'échelle des galaxies à celle des grands filaments de matière que nous observons aujourd'hui ». Quant à la deuxième question, il « nous faut étudier les trous noirs supermassifs au centre des galaxies, des environnements très obscurcis par la matière accrétante (gaz, poussières, etc.), jusqu'à leurs premières populations dans l'univers très jeune ». Il nous faut aussi comprendre leur cycle d'accrétion et d'éjection et les échanges de matière et d'énergie qu'ils induisent dans leur environnement (galaxies et gaz chaud). L'ensemble de ces éléments nous fournira une vue de la façon dont les galaxies et les trous noirs supermassifs qu'elles abritent évoluent ensemble.

Au-delà de ces objectifs scientifiques majeurs, Athena permettra un large spectre d'observations, de l'étude des sursauts gamma, « des explosions extrêmement énergétiques dont la nature est encore incertaine » à la caractérisation des explosions de supernovae et de leurs restes, lieux de la production de métaux et responsables de la génération de courants de matière et d'énergie à l'échelle des galaxies (les vents galactiques). Cet observatoire sera également utilisé pour l'étude des planètes du Système solaire qui donnera « une vue complémentaire des mesures in situ de l'interaction par exemple entre leur environnement magnétique (magnétosphère) et les particules énergétiques du vent solaire ».

Comme le souligne Alvaro Gimenez, le directeur de la science et de l'exploration robotique à l'Esa, « par rapport aux missions X précédentes, le bond en avant sera significatif ». Surtout, il permettra aux astronomes européens de rester en « pointe pour de nombreuses années dans l'étude du rayonnement de hautes énergies de l'univers ».

Le télescope XMM-Newton, ici en vue d'artiste, a été lancé en décembre 1999. Sa mission d'observation en rayons X se poursuit toujours, sur une orbite elliptique autour de la Terre, qui l'en éloigne jusqu'à 114.000 km. © Esa, D. Ducros

L'instrument X-IFU, 60 fois meilleur que XMM-Newton et Chandra

Avec un poids d'environ cinq tonnes, Athena sera aussi lourd qu'un satellite de télécommunications. Il embarquera un miroir de trois mètres de diamètre, avec une surface collectrice efficace de 2 m2 à 1 keV et deux instruments focaux qui opéreront dans « la bande d'énergie des rayons X de basse énergie, c'est-à-dire 0,2 à 12 keV », la même gamme spectrale que XMM-Newton et Chandra. Cette gamme est notre « fenêtre sur l'univers chaud et énergétique ». De nombreux phénomènes physiques y produisent des émissions, comme l'ont montré les nombreux résultats de XMM-Newton et Chandra.

Des deux instruments, le spectromètre intégral de champ (X-IFU, pour X-Ray Integral Field Unit) est le plus novateur. Il permettra d'étudier le détail de nombreuses sources astrophysiques et autres processus physiques dont les émissions sont actuellement totalement hors de portée de XMM-Newton et Chandra. « Le X-IFU est considéré comme l'instrument le plus ambitieux jamais considéré pour une mission spatiale » tient à préciser Didier Barret, chercheur CNRS à l'Irap et investigateur principal de cet instrument à la tête du consortium européen dont les principaux contributeurs sont la France, l'Italie et les Pays-Bas.

Cet instrument, dont les détecteurs sont refroidis à une température proche du zéro absolu, sera doté d'une résolution spectrale de 2,5 eV sur l'ensemble de son champ de vue de 5 arc-minutes, « 60 fois mieux que les performances actuelles des spectro-imageurs embarqués par XMM-Newton et Chandra », précise Étienne Pointecouteau. Athena et X-IFU ouvriront donc les portes, via la très haute résolution spectrale en X, des détails de l'astrophysique des processus physiques énergétiques de l'univers. Le second instrument est sous responsabilité allemande. Il s'agit d'un imageur à grand champ (WFI pour Wide Field Imager) avec une excellente résolution spatiale.

Compte tenu de la complexité de la mission et son coût, l'Agence spatiale européenne souhaite l'internationaliser. Elle recherche des partenariats, notamment avec le Japon et les États-Unis. La Nasa a d'ores et déjà fait savoir son intérêt et se dit prête à fournir certains composants et systèmes. En 2019, l'Agence spatiale européenne devrait détailler la feuille de route de ce programme. Elle fixera un budget et choisira le maître d'œuvre du satellite et les industriels en charge de sa construction. Quant aux instruments, leur développement débute dès aujourd'hui.

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