Campus 108

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n° 108 avril-mai 2012
Dossier | Astrophysique

Un frigo dans l’espace

Une équipe genevoise collabore à un projet d’observatoire spatial qui doit être envoyé en orbite en 2014 afin d’étudier le ciel dans le domaine des rayons X. Sa cible principale: les amas de galaxies, soit les plus grandes structures connues de l’univers

Le jour où le satellite Astro-H sera lancé dans l’espace – en 2014 –, on pourra dire qu’un frigo aura été placé en orbite. Ou plutôt plusieurs frigos disposés les uns dans les autres comme des poupées russes. C’est la solution qui a été trouvée pour conserver un minuscule détecteur à quelques fractions de degré au-dessus du zéro absolu (-273,2° C), sa température de fonctionnement. Malgré sa petite taille, cet appareil, un calorimètre, servira à étudier, entre autres, les plus grandes structures de l’univers: les amas de galaxies et, surtout, les gigantesques quantités de gaz dans lesquelles ils baignent.

Astro-H est un projet japonais auquel les Etats-Unis apportent leur contribution. Des chercheurs de l’Observatoire de Genève ont aussi réussi à y mettre un pied. Stéphane Paltani, maître d’enseignement et de recherche au Département d’astronomie, est en effet chargé du développement d’un système destiné à la calibration du calorimètre et au filtrage des rayons X que l’observatoire spatial Astro-H est appelé à détecter tout au long de sa mission.

Les principales cibles sont les nuages de gaz qui enveloppent les amas de galaxies. Il s’agit en réalité de plasma, c’est-à-dire du gaz ionisé (dont les atomes ont perdu un ou plusieurs électrons). Bien que très ténu, ce plasma, qui représente une masse dix fois plus importante que les galaxies, est très chaud: sa température varie entre 10 et 100 millions de degrés et émet de ce fait un rayonnement dans le domaine des rayons X (Bremsstrahlung) que les astrophysiciens connaissent depuis longtemps.

«La nouveauté avec Astro-H, c’est que l’on pourra, pour la première fois, tracer avec une précision inédite les cartes des propriétés physiques (température, abondance…) de ce plasma, explique Stéphane Paltani. Cela nous fournira des informations précieuses sur la formation de ces structures gigantesques et, partant, de l’univers lui-même.»

Le problème, c’est que la réalisation d’une image du ciel vu sous l’angle des rayons X représente un défi technologique. Contrairement à la lumière visible, les photons très énergétiques ne peuvent en effet pas être déviés de leur course à l’aide de lentilles optiques. Pour connaître leur énergie (ce qui pourrait correspondre à leur «couleur») de manière précise, il faut recourir à un dispositif de diffraction qui a l’inconvénient de réduire considérablement la sensibilité et d’empêcher pratiquement toute résolution spatiale.

Le calorimètre embarqué sur Astro-H permet de résoudre cette difficulté. Il est formé d’un certain nombre de pixels maintenus à une température d’environ 50 millidegrés kelvin (0,05° K). Dès qu’un photon X venu des amas de galaxies lointains frappe l’un d’eux, celui-ci voit, sous l’effet de l’absorption, sa température monter durant un petit laps de temps. Ce réchauffement est mesuré et permet de calculer l’énergie du photon. Un calorimètre permet donc aux astrophysiciens de connaître l’origine de chaque rayon X sur la voûte céleste, son énergie et le moment auquel il a été détecté. Quatre paramètres essentiels pour réaliser une cartographie du ciel.

Le calorimètre qui sera monté sur Astro-H comptera 36 pixels en tout. C’est peu mais c’est quasiment le maximum que la technologie actuelle peut réaliser. «Par le passé, seulement deux autres tentatives visant à placer des calorimètres en orbite ont eu lieu, rappelle Stéphane Paltani. Elles se sont soldées par des échecs. La première était le satellite Astro E qui est tombé dans l’océan juste après son lancement en 2000. Et la seconde, Astro E II lancé en 2005, au moment de déployer son dispositif de mesure, a vu l’hélium liquide servant à refroidir le détecteur soudainement s’évaporer, rendant le calorimètre inopérant.»

Pour Astro-H, les ingénieurs ont pris des mesures (dont les cinq appareils frigorifiques concentriques et des circuits de refroidissement actifs et indépendants) pour qu’une telle panne ne se reproduise plus.

La mission japonaise vient aussi à point pour prendre la relève des satellites européens vieillissants, bien que toujours opérationnels, que sont XMM-Newton et INTEGRAL. Le premier, actif dans toute la gamme des rayons X, a été lancé en 1999 et le second, sensible aux rayons X «durs» et aux rayons gamma, a été mis en orbite en 2002. Leurs jours sont désormais comptés et le prochain projet d’étude des rayons X cosmiques dans le programme de l’Agence spatiale européenne (ESA) est Athena qui, s’il est choisi, ne sera pas lancé avant 2022. Astro-H, 100 fois plus sensible qu’INTEGRAL dans le domaine des rayons X durs, vient donc opportunément combler le vide d’une décennie qui menaçait d’apparaître.

Partenaires du projet, les astrophysiciens genevois auront un accès privilégié aux données fournies par le satellite. Ils serviront également de relais pour tous les utilisateurs potentiels d’Astro-H basés en Europe et désireux d’obtenir du temps d’observation ou des réponses à des questions techniques concernant la marche à suivre ou l’analyse de données. Un service précieux pour une mission où la plupart des documents risquent d’être rédigés en japonais.