Vue d'artiste d'Athena, le futur observatoire spatial européen qui fonctionnera dans le X et sera lancé à l'horizon 2030. © ESA, Irap
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Présentation d'Athena, la plus grande et la plus ambitieuse optique à rayons X jamais réalisée, avec Andrea Martelli

ActualitéClassé sous :Astronautique , ESA , Thales Alenia Space

L'observatoire spatial Athena, qui promet des avancées majeures dans le domaine de l'astrophysique des hautes énergies, sera équipé d'un miroir de 2,5 mètres. Ce miroir est si ambitieux au niveau des prouesses scientifiques et de sa conception qu'il nécessite la réalisation d'un prototype grandeur nature pour valider le concept et les performances attendues. L'interview d'Andrea Martelli, responsable des avant-projets scientifiques chez Thales Alenia Space, nous explique les enjeux.

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Début janvier, l'Agence spatiale européenne a confié à Thales Alenia Space l'étude de la conception, la fabrication et le test du démonstrateur MAM (Mirror Assembly Module) destiné au futur télescope spatial Athena.

Cet observatoire spatial, dont le lancement est prévu en 2031, pourra sonder le cosmos 10 à 100 fois plus profondément que les précédentes missions dans le domaine des rayons X, afin d'observer les objets célestes les plus chauds et énergétiques. Nos articles précédents détaillent les objectifs scientifiques qui promettent des avancées majeures dans le domaine de l'astrophysique des hautes énergies.

Une toute nouvelle technologie optique à rayons X

Pour atteindre les objectifs scientifiques extrêmement ambitieux de cette mission, le miroir d'Athena sera la plus grande optique à rayons X jamais construite. En effet, ces objectifs exigent une grande surface effective dans ce spectre. Par conséquent, l'optique du télescope doit pouvoir collecter et focaliser les rayons X à travers une grande structure circulaire d'environ 2,5 m de diamètre. Cette structure comportera près de 600 modules de miroirs très précisément alignés grâce à la nouvelle technologie Silicon Pore Optics (SPO). Elle devra être extrêmement rigide et stable pour atteindre les performances optiques visées. Le module MAM sera ensuite pointé vers deux instruments distincts au moyen d'un système directionnel complexe ultra précis.

Thales Alenia Space sera chargé de concevoir, développer et tester un démonstrateur grandeur nature du MAM, afin de valider ses fonctions critiques préalablement à l'adoption de la mission. Thales devra démontrer la maturité globale de la technologie et du processus retenus pour la mise en œuvre du projet Athena qui débutera en 2022. Elle devra donc démontrer l'aptitude à fabriquer et intégrer le miroir à sa taille réelle et sa compatibilité avec l'ensemble des exigences fonctionnelles et d'interface de la mission Athena. Le succès de la mission reposera en grande partie sur cette technologie.

Andrea Martelli, responsable des avant-projets scientifiques chez Thales Alenia Space (TAS), répond à nos questions très techniques :

Pourriez-vous nous décrire la technologie SPO (Silicon Pore Optics) ?

Andrea Martelli : Cette technologie SPO est actuellement développée par la société Cosine aux Pays-Bas. Le site web de l'ESA et de la Communauté Athena l'explique très bien : « La technologie SPO repose sur l'emploi de plaquettes (wafers) en silicium disponibles sur étagère, dont la qualité de surface (texture et rugosité) est parfaitement compatible avec les applications optiques à rayons X. Un module SPO se compose de deux empilements (stacks) de wafers intégrés ensemble. Le premier stack est un jeu de plaques-miroirs concentriques et confocales qui représentent les paraboloïdes (1re réflexion) à l'intérieur d'un système Wolter de type I emboîté, tandis que le second stack fait office d'hyperboloïdes (2e réflexion) dans ce même système. Chaque module agit ainsi comme une petite lentille à part entière. Le miroir complet peut être constitué en plaçant les modules en anneaux dont la taille diffère en fonction de la position du rayon dans la structure ».

Représentation artistique de la technologie SPO (Silicon Pore Optics) de l’optique du télescope de 2,5 mètres d'Athena. © ESA, Cosine, ACO Science team

Quelles sont les autres contraintes techniques et technologiques ?

Andrea Martelli : Le miroir d'Athena est la plus grande optique à rayons X jamais fabriquée. La principale contrainte technique est donc liée à la taille de sa structure, qui fait office de banc optique (d'un diamètre de 2,5 m pour une épaisseur globale de l'ordre de 250 mm), ce qui ne va pas sans poser quelques problèmes de disponibilité et d'approvisionnement de la matière brute. Pour cela, Thales Alenia Space peut compter sur sa longue expérience de l'achat et de la qualification de différents matériaux pour ses applications spatiales, et a trouvé une solution potentielle qui doit désormais être entièrement adaptée au miroir d'Athena.

Ce dernier doit en effet être aussi rigide que possible, tout en tenant compte des contraintes habituelles inhérentes aux missions spatiales comme la masse, la réponse en fréquence, l'opérabilité, etc. Les contraintes technologiques sont ensuite essentiellement liées à la forme complexe de la structure qui comprendra 600 logements de modules co-implantés et alignés avec une précision extrême.

Dans un premier temps, il est donc absolument indispensable de développer et tester un démonstrateur MAM (Mirror Assembly Module) grandeur nature, afin de valider la faisabilité technique et technologique d'une telle structure de miroir.

En quoi le miroir d’Athena diffère-t-il des précédentes générations ?

Andrea Martelli : Le miroir est l'un des éléments clés de ce télescope dont les performances dépendent de lui. Capable de combiner à la fois grand champ et haute résolution angulaire, il offrira des capacités d'observation très largement supérieures à celles des précédentes missions comme le montre la figure ci-dessous :

Performances scientifiques du miroir de l'observatoire spatial Athena. Il sera capable de combiner à la fois grand champ et haute résolution angulaire, il offrira des capacités d’observation très largement supérieures à celles des précédentes missions, comme le montre la figure. De gauche à droite et de bas en haut : Surface collectrice, en cm² - 1 keV ; Résolution angulaire, en secondes d’arc ; Appauvrissement du flux de photons ; Le quadrant d’or ; Faible sensibilité ; Confusion des sources cosmologiques. © Athena Science team

Pour rendre de telles performances possibles, le miroir obéit à un mode de conception et de mise en œuvre radicalement nouveau par rapport aux télescopes XMM-Newton, Chandra et autres satellites d'observation à rayons X. Par exemple, le module optique de XMM repose sur trois télescopes composés de 58 miroirs Wolter I à incidence rasante (coques monolithiques en nickel recouvertes d'une fine couche d'or) qui sont emboîtés dans une configuration coaxiale et confocale soudée à une extrémité sur une araignée. Une conception similaire a été adoptée pour Chandra et, plus récemment, Rosita.

Le miroir d'Athena est composé de 600 modules SPO répartis sur 15 rangées circulaires à l'intérieur de la structure. Par leur conception et fabrication, ces modules améliorent sensiblement la capacité de réflexion des rayons X vers les capteurs des instruments. Chaque module est relié à la structure au moyen de trois goupilles de positionnement qui, lors des phases d'intégration, calibration et test, permettent d'aligner parfaitement chacun de ces modules.

Le développement du démonstrateur MAM servira-t-il à d’autres applications ?

Andrea Martelli : Le développement du MAM défrichera le terrain pour d'autres applications spatiales, en particulier des missions scientifiques où les structures de miroir seront nécessaires pour servir de bancs optiques. Ce type de structures, soumises à d'importantes contraintes de stabilité thermique pour limiter les distorsions des optiques supportées, sont généralement fabriquées en matériaux céramiques ou métalliques à faible coefficient de dilatation thermique. Les matériaux céramiques sont cassants, nécessitent des procédés de fabrication très complexes et sont limités en taille en raison des contraintes des moyens de production.

Les dimensions et la complexité du miroir d'Athena ayant pratiquement exclu l'emploi de ce type de matériaux dans la conception, la solution adoptée par TAS pour ce programme repose sur une formule métallique qui répond au besoin d'un processus de fabrication plus simple et qui, par ailleurs, exige un strict contrôle des dilatations thermiques. La solution fait ainsi appel à un thermorégulateur actif dédié qui assure aux modules de miroir la stabilité requise. Elle pourra donc être exploitée dans le cadre de missions scientifiques spatiales pour des bancs optiques de tailles à la fois plus grandes et plus petites où le facteur coût peut aussi être intéressant.

Quelles sont les différences de technologies et de performances entre les télescopes XMM-Newton, Chandra et Athena ?

Andrea Martelli : Ces différences s'expliquent en partie par le niveau technologique propre à l'époque de chacune de ces missions, les missions XMM et Chandra remontant déjà à plus de 20 ans. Leur principale différence réside dans la technologie de fabrication du miroir, comme nous l'avons décrite dans cet article. Athena se distingue en particulier par la taille (2,5 m de diamètre) et la surface effective de son miroir ainsi que par la résolution en énergie et les dimensions générales du télescope, notamment sa longueur focale de 12 m (contre 7,5 et 10 respectivement pour XMM et Chandra), qui porte la longueur hors-tout du satellite à environ 15 m.

Enfin, toute l'électronique embarquée d'Athena sera au tout dernier standard technologique et contribuera ainsi au surcroît de performance et d'opérabilité du satellite.

En outre, les missions Chandra, XMM et Athena se distinguent par leurs opérations et activités scientifiques spécifiques. Le miroir optique de Chandra se focalise sur un point unique, ce qui oblige à déplacer les instruments montés dans le plan focal sur ce point au moyen d'un mécanisme dédié. En revanche, XMM est à même d'opérer ses instruments en parallèle par l'application d'un filtre sur le faisceau focalisé. Athena est, quant à lui, capable de déplacer tout l'ensemble miroir au moyen d'un mécanisme de basculement dédié pour focaliser le faisceau vers l'instrument cible.

Comparaison de la surface effective du spectromètre X-IFU d'Athena à celle de l’instrument XRISM Resolve, tous deux des spectro-imageurs. Deux spectromètres dispersifs actuellement en service, en l’occurrence le RGS de XMM-Newton et le HETG de Chandra, sont également indiqués. Notons que l’instrument X-IFU offre une capacité d’imagerie dont la résolution angulaire de l’optique est de 5", avec une taille de pixel inférieure à 5", contre une résolution angulaire de 1" pour l’optique XRISM et une taille de pixel de 30" pour l’instrument Resolve. © IFU Science team

La fabrication du miroir d’Athena incombera-t-elle à TAS ?

Andrea Martelli : Le but du démonstrateur grandeur nature MAM (Mirror Assembly Module Demonstrator), qui permettra de valider les fonctions les plus critiques du système, vise à confirmer l'aptitude de TAS à réaliser la conception, la fabrication, l'assemblage et la campagne de tests dans les temps pour l'adoption de la mission Athena. Le cas échéant, TAS sera le candidat tout désigné pour fabriquer le miroir du satellite, même si la compétition est encore ouverte à ce stade.

  • L'instrument X-IFU promet des avancées majeures dans le domaine de l’astrophysique des hautes énergies. 
  • La mission Athena est la seconde mission de classe L (Large) sélectionnée par l’ESA en juin 2014 dans le cadre de son programme scientifique Cosmic Vision. Elle sera lancée au début des années 2030. 
  • Athena est un observatoire spatial pour l’exploration de « l’Univers chaud et énergétique ».
Pour en savoir plus

Le télescope spatial Athena X va révolutionner notre connaissance de l'univers

Article de Rémy Decourt publié le 26/05/2019

Le futur observatoire spatial X de l'agence spatiale européenne sera lancé au début des années 2030. Il embarquera X-ray Integral Field Unit, un instrument révolutionnaire qui a nécessité une étude de faisabilité pour s'assurer d'être en mesure de pouvoir le réaliser. Cette étude s'est conclue positivement ouvrant la voie à un instrument qui promet des avancées majeures dans le domaine de l'astrophysique des hautes énergies.

Aujourd'hui, les questions scientifiques et les progrès technologiques déclenchent de nouveaux projets spatiaux pour répondre aux questions générées par les données des instruments qui précèdent ces futurs projets. Un cycle sans fin qui pousse scientifiques et ingénieurs à réaliser des instruments très innovants dont certains nécessitent des sauts technologiques significatifs.

Athena (Advanced Telescope for High ENergy Astrophysics), le futur observatoire spatial dans le X de l’Agence spatiale européenne n'échappe pas à cette règle. Le principal objectif de cet observatoire est de répondre aux grandes questions posées par le thème scientifique de 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 », explique Étienne Pointecouteau, chercheur CNRS à l'Institut de recherche en astrophysique et planétologie (Irap) et responsable adjoint du conseil scientifique de l'instrument X-IFU d'Athena.

Études conceptuelles du satellite Athena. L'encadré montre la chaîne cryogénique de l'instrument du spectromètre X-IFU. © ESA, Irap

Une étude de faisabilité pour s'assurer qu'il pourra être conçu !

Pour cela, il sera doté de deux instruments principaux dont le X-ray Integral Field Unit : un spectro-imageur haute résolution spectrale, bien plus puissant que ses prédécesseurs et qui promet des avancées majeures dans le domaine de l'astrophysique des hautes énergies. Pour vous donner une idée du saut de performance, X-IFU sera doté d'une résolution spectrale de 2,5 eV sur l'ensemble de son champ de vue de 5 arc-minutes, soit de 50 à 60 fois mieux que les performances actuelles des spectro-imageurs embarqués par XMM-Newton et Chandra.

Le X-IFU est considéré comme l'instrument le plus ambitieux jamais considéré pour une mission spatiale

Autre exemple, la surface collectrice des photons (en cm2) sera supérieure d'un facteur 45 à celle de l'observatoire spatial XRISM de la Jaxa (Japon), qui devrait voler avant nous (2021). Quant à la résolution spectrale, elle sera deux fois meilleure que celle du Japonais et la taille des pixels sera vingt fois plus petite, ce qui donnera à X-IFU des images de bien meilleure qualité. « Le X-IFU est considéré comme l'instrument le plus ambitieux jamais considéré pour une mission spatiale », précise Didier Barret, chercheur CNRS à l'Irap et responsable scientifique du consortium X-IFU

Simulation des performances des observatoires spatiaux XRISM de la Jaxa et d'Athena (ESA). Elle permet de voir le saut technologique permis par Athena. La surface collectrice des photons (en cm2) est supérieure d’un facteur 45 à celle de XRISM qui devrait voler en 2021 (2032 pour Athena). La résolution spectrale est deux fois meilleure que XRISM, la taille des pixels est vingt fois plus petite, ce qui nous donnera des images de bien meilleure qualité. © Jeremy Sanders (MPE), composition ACO Team

La matrice de détecteurs (microcalorimètres), l'électronique de lecture et la chaîne cryogénique (les détecteurs seront refroidis à une température proche du zéro absolu), sont les technologies les plus innovantes. Pour s'assurer que le concept de l'instrument, défini par les exigences scientifiques, arrivera à des performances conformes aux spécifications émanant de l'équipe scientifique, une étude de faisabilité de 4 mois a été nécessaire.

Les conclusions de cette étude ont été présentées ce mardi 21 mai. L'agence spatiale européenne et le Centre national d'études spatiales ont confirmé la faisabilité de cet instrument. Celui-ci entre maintenant dans sa phase de définition préliminaire qui va durer environ 3 ans. Si le planning est respecté, la construction de X-IFU devrait débuter entre 2024 et 2028.


Découvrez Athena, le futur observatoire spatial européen

Article de Rémy Decourt, publié le 03/07/2014

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.

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.

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

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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