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Nuclear Spectroscopic Telescope Array

Le Nuclear Spectroscopic Telescope Array ou NuSTAR, est un petit télescope spatial à rayons X de la NASA, lancé le , qui a pour objectif l'observation de rayons plus énergétiques (3-79 keV) que ceux étudiés par Chandra et XMM-Newton. Le télescope utilise deux optiques de type Wolter-I, constituées de 133 miroirs cylindriques emboîtés les uns dans les autres. Les miroirs en verre sont recouverts de plusieurs couches métalliques qui exploitent le principe du miroir de Bragg pour permettre la réflexion des rayons X les plus durs sous des incidences plus élevées. Ceux-ci font converger les rayons X sur des détecteurs constitués par quatre détecteurs à semi-conducteur de type TZC. Le télescope utilise une technique mise au point pour le télescope à rayons X HEFT transporté par ballon. La sensibilité résultante pour les rayons X durs est de 10 à 100 fois supérieure aux télescopes de génération précédente.

NuSTAR
TĂ©lescope spatial Ă  rayons X
Description de cette image, également commentée ci-après
Vue d'artiste du télescope NuSTAR.
Données générales
Organisation NASA
Programme Small Explorer
Domaine Astronomie rayons X
Statut Opérationnel
Lancement 13 juin 2012
Lanceur Pegasus
Fin de mission FĂ©vrier 2014
Identifiant COSPAR 2012-031A
Site http://www.nustar.caltech.edu/
Caractéristiques techniques
Masse au lancement 360 kg
Orbite basse circulaire
Périgée 575 km
Apogée 600 km
Inclinaison 6°
TĂ©lescope
Type Wolter type I
Focale 10,15 m
Champ 13' Ă— 13'
Longueur d'onde 5 Ă  80 keV

NuSTAR doit étudier différentes sources astronomiques d'émission de rayons X durs. Il est chargé d'identifier et évaluer la masse des trous noirs présents dans notre galaxie et détectables par ses instruments, de dresser une carte des explosions de supernova récentes, de mesurer le changement d'intensité des jets de particules relativistes intenses et d'identifier les sources d'énergie les plus puissantes de notre Galaxie tels que les trous noirs supermassifs et les magnétars.

NuSTAR est le 11e satellite du programme Small Explorer de la NASA consacrĂ© aux petits satellites scientifiques dont le coĂ»t est infĂ©rieur Ă  120 millions de dollars amĂ©ricains. Il est lancĂ© par un lanceur aĂ©roportĂ© Pegasus qui le place sur une orbite basse circulaire Ă  600 km d'altitude avec une inclinaison quasi Ă©quatoriale (6°). La durĂ©e nominale de la mission est de deux ans mais peut ĂŞtre Ă©tendue Ă  six ans.

Contexte

Des progrès techniques récents dans le domaine des rayons X durs

Les rayons X ont une longueur d'onde inférieure ou proche de la distance entre atomes. Pour cette raison les rayons X, qui arrivent sur une surface réfléchissante, ne sont pas renvoyés par celle-ci comme la lumière visible mais la traversent. Toutefois lorsque l'angle d'incidence est presque rasant, le rayonnement X peut être réfléchi. Cette caractéristique est exploitée par certains télescopes à rayons X. Ceux-ci utilisent un miroir en forme de tonneau dont l'axe coïncide avec l'angle de pointage. Mais très peu de photons sont ainsi collectés. Pour accroître la surface collectrice on emboîte l'un dans l'autre un grand nombre de miroirs de forme cylindrique (appelés coques) de diamètre décroissant. Plus le rayon X est dur, c'est-à-dire énergétique, plus l'incidence doit être faible. Aussi jusqu'à récemment cette technique d'observation est utilisée que pour les rayons X mous, peu énergétiques[1].

Au cours des annĂ©es 2000, des progrès techniques majeurs sont effectuĂ©s dans le domaine de l'astronomie en rayons X durs (plus de 10 keV) qui peuvent ĂŞtre dĂ©sormais observĂ©s Ă  l'aide de tĂ©lescopes dotĂ©s d'un système de focalisation. Ce type d'optique permet un gain d'un ordre de grandeur en sensibilitĂ© par rapport aux systèmes Ă  collimateurs ou Ă  masques codĂ©s utilisĂ©s jusqu'Ă  prĂ©sent pour l'observation des rayons X durs. Le rapport entre la surface collectrice et celle du dĂ©tecteur peut ĂŞtre de 1 000 ou plus. Pour parvenir Ă  focaliser les rayons X Ă  grande Ă©nergie, la surface collectrice qui rĂ©flĂ©chit des rayons X arrivant sous une incidence de quelques minutes d'arc, est recouverte de plusieurs couches de revĂŞtements mĂ©talliques qui exploitent le principe du miroir de Bragg pour permettre leur rĂ©flexion sous des incidences plus Ă©levĂ©es. Ces nouvelles techniques sont d'abord implantĂ©es sur des tĂ©lescopes X transportĂ©s par ballon-sonde tels que le High-Energy Focusing Telescope (HEFT) : celui-ci permet la mise au point de l'optique et des dĂ©tecteurs utilisĂ©s par NuSTAR qui doivent ĂŞtre Ă©galement mis en Ĺ“uvre par le tĂ©lescope spatial japonais ASTRO-H. NuSTAR est le premier tĂ©lescope spatial Ă  utiliser cette technique[2].

Le lancement du projet NuSTAR

En mai 2003, NuSTAR est une des 36 propositions soumises pour les 10 et 11e satellites du programme Small Explorer qui regroupe des missions scientifiques à coût peu élevé (moins de 120 millions de dollars américains)[3]. En novembre de la même année, la NASA sélectionne NuSTAR et quatre autres propositions pour une première étude de faisabilité de cinq mois. En janvier 2005 la NASA sélectionne NuSTAR sous réserve de la conclusion favorable d'une étude de faisabilité d'un an[4]. Le programme est arrêté en février 2006 à la suite de restrictions dans le budget 2007 consacré aux sciences. En septembre 2007 le projet est réactivé avec un lancement planifié pour août 2011[5] - [6] - [7].

Le responsable scientifique du projet est Fiona Harrison du Caltech et le centre JPL de la NASA assure la conduite du projet. Le centre de vol spatial Goddard fournit les miroirs élémentaires ; l'université technique du Danemark est chargée du dépôt des couches de revêtements métalliques sur les plaques de verre. Celles-ci sont ensuite assemblées à l'université Columbia à New York grâce à des machines conçues pour ce seul usage. Le Caltech développe les détecteurs situés au plan focal. Les autres centres de recherche concernés sont l'université de Californie à Berkeley, l'université de Californie à Santa Cruz, le centre de l'accélérateur linéaire de Stanford et l'université de Sonoma (en). Les principaux partenaires industriels de NuSTAR sont Orbital Sciences Corporation qui fournit la plateforme et assemble le satellite et ATK Space Systems qui réalise le mât télescopique.

Objectifs scientifiques

SchĂ©ma du tĂ©lescope Nustar 1 : optique - 2 : dĂ©tecteur au plan focal - 3 : viseur d'Ă©toiles - 4 et 5 : système de mesure laser - 6 : mât dĂ©ployable (10 m).

NuSTAR est le premier télescope spatial à rayons X durs, c'est-à-dire dont l'énergie est comprise en 6 et 79 keV. Jusqu'à présent ce rayonnement est peu étudié car les optiques mises en œuvre utilisent la technique des masques codés qui induit une sensibilité limitée et beaucoup de bruit de fond.

Les principaux objectifs du télescope NuSTAR sont d'étudier les trous noirs, de dresser une carte des supernova récentes, d'étudier les sources des jet relativistes des galaxies les plus actives abritant des trous noirs supermassifs et d'identifier les sources d'énergie les plus puissantes de notre Galaxie[8]. NuSTAR a comme objectif secondaire l'étude des rayons X durs émis par la couronne solaire durant les éruptions solaires ainsi que la détection des axions, particules hypothétiques qui peuvent être émises par le Soleil[9].

Étude des trous noirs

Lorsque la matière tombe dans un trou noir, elle est portée à des températures de plusieurs millions de degrés et émet une grande quantité de rayons X. Ces rayons permettent d'identifier les trous noirs, par ailleurs indétectables dans la plus grande partie du spectre électromagnétique, et également d'estimer leur masse. Le trou noir supermassif (4 millions de fois la masse du Soleil) qui est situé au cœur de notre galaxie est ainsi masqué par la poussière stellaire et les gaz qui l'entourent mais peut être détecté grâce aux émissions de rayons X. L'un des objectifs de NuSTAR est de rechercher les trous noirs stellaires (dont la masse est égale à plusieurs fois celle du Soleil) ou supermassifs présents dans notre galaxie et dans l'Univers en évaluant leur masse[10].

Cartographie des supernova

NuSTAR a la capacité d'étudier les émissions des noyaux radioactifs produites par l'explosion des supernovas et qui se dégradent progressivement dans les rémanents de supernova[11].

Étude des sources de jets relativistes

La plupart des galaxies, y compris la nôtre, hébergent des trous noirs d'une masse de plusieurs millions à plusieurs milliards de fois notre Soleil. Ces trous noirs interagissent généralement de manière limitée avec leur environnement mais il peut y avoir des épisodes violents durant lesquels le gaz situé à proximité du trou noir est perturbé et forme un disque d'accrétion dont le contenu tombe progressivement dans le trou noir en générant des jets de particules relativistes intenses. Lorsque ces jets sont dirigés vers la Terre ils sont désignés sous le terme de blazar. Ces émissions varient rapidement en intensité, éventuellement sur quelques jours, reflétant des changements dans le comportement des trous noirs. NuSTAR doit mesurer le changement d'intensité de ces jets dans le domaine des rayons X dur[12].

Identification des sources d'Ă©nergie les plus puissantes de notre galaxie

Les rayons X durs que peut observer NuSTAR ne sont pas affectés par la présence de nuages de gaz contrairement aux rayons X mous. NuSTAR peut ainsi observer la région centrale de notre galaxie invisible sur d'autres longueurs d'onde et étudier le trou noir supermassif qui semble s'identifier avec la source radio Sagittarius A*. NuSTAR doit également étudier les magnétars, qui sont des étoiles à neutrons disposant d'un champ magnétique hyperpuissant, qui émet des radiations électromagnétiques de haute énergie, comme les rayons X et gamma[13].

Caractéristiques techniques de NuSTAR

NuSTAR a une masse totale de 360 kg. Il utilise une plateforme d'Orbital Sciences qui supporte deux tĂ©lescopes jumeaux[14].

Caractéristiques du télescope

Schéma d'une optique Wolter 1 :
1 : miroirs paraboliques - 2 : miroirs hyperboliques - 3 : rayons X incidents - 4 : Point focal.
Un des deux ensembles optiques.

NuSTAR dispose de deux tĂ©lescopes identiques qui utilisent une optique Wolter de type I : le rayon est d'abord rĂ©flĂ©chi par un miroir parabolique puis par un miroir hyperbolique dans le prolongement du premier. Une optique est constituĂ©e de 133 couches (coques) : une coque est constituĂ©e d'un miroir cylindrique supĂ©rieur et infĂ©rieur dans le prolongement l'un de l'autre (voir schĂ©ma) tous deux lĂ©gèrement coniques permettant ainsi de reproduire les formes parabolique et hyperbolique. Un miroir est constituĂ© par l'assemblage d'un nombre variable de plaques de verre d'une Ă©paisseur de 2,1 mm mises en forme par thermoformage : les miroirs internes (coques 1 Ă  65) sont constituĂ©s de 12 plaques de verre tandis que les miroirs externes sont rĂ©alisĂ©s avec 24 plaques. Les plaques sont attachĂ©es entre elles par des entretoises en fibre de carbone d'une largeur comprise entre 1,2 mm et 1,6 mm qui donnent au miroir la forme optique recherchĂ©e. Les entretoises solidarisent les miroirs avec une structure rĂ©alisĂ©e en titane. Les diffĂ©rentes pièces sont collĂ©es entre elles Ă  l'aide d'Ă©poxyde. Chaque plaque de verre est recouverte de plusieurs couches de matĂ©riau rĂ©flĂ©chissant : chaque couche est destinĂ©e Ă  la rĂ©flexion d'une partie du spectre des rayons X. L'optique utilise en tout 10 combinaisons diffĂ©rentes de matĂ©riau rĂ©flĂ©chissant pour obtenir les propriĂ©tĂ©s optiques dĂ©sirĂ©es : la couche rĂ©flĂ©chissante des coques extĂ©rieures combine tungstène et silicium tandis que pour les coques internes on utilise une combinaison de platine et de carbure de silicium plus performante pour les rayons X durs collectĂ©s par cette partie de l'optique[1].

Plan focal avec les détecteurs entourés du blindage actif en iodure de césium (matériau blanc).

Une optique assemblĂ©e fait 19,1 cm de diamètre, est longue de 47,2 cm et pèse 31 kg. La surface collectrice obtenue est de 847 cm2 pour les rayons de 9 keV mais se rĂ©duit Ă  60 cm2 pour les rayons de 78 keV. Compte tenu de l'angle d'incidence très faible, la convergence des photons au plan focal du tĂ©lescope se fait Ă  une grande distance de l'optique. La longueur focale de NuSTAR est ainsi de plus de 10 mètres. Pour limiter l'encombrement et le poids de ce tĂ©lescope Ă  faible coĂ»t, l'Ă©cartement entre l'optique et le plan focal est obtenu Ă  l'aide d'un mât tĂ©lescopique qui se dĂ©ploie en orbite. Ce système est mis en Ĺ“uvre notamment pour les panneaux solaires de la Station spatiale internationale et lors d'une mission de la navette spatiale amĂ©ricaine. Le tĂ©lescope est placĂ© sur une orbite basse ce qui limite les coĂ»ts mais entraĂ®ne des amplitudes importantes et frĂ©quentes de tempĂ©rature. Le mât est soumis Ă  des contraintes thermiques importantes lors du passage du tĂ©lescope du cĂ´tĂ© jour au cĂ´tĂ© nuit de son orbite qui induisent des dĂ©formations de la gĂ©omĂ©trie de l'ensemble constituĂ© par l'optique et les dĂ©tecteurs situĂ©s au plan focal. Pour limiter ces variations qui dĂ©gradent la qualitĂ© des images obtenues, un système de mesure laser permet de dĂ©tecter les Ă©carts en comparant en parallèle l'image fournie par le viseur d'Ă©toiles et celle recueillie par les dĂ©tecteurs. Seuls sont corrigĂ©s les Ă©carts transversaux par rapport Ă  l'axe optique et les torsions le long de cet axe. Les dĂ©formations sur les trois autres degrĂ©s de libertĂ©, entre autres l'Ă©cartement entre optique et plan focal, ont un impact sur la qualitĂ© du rĂ©sultat qui est estimĂ© nĂ©gligeable. Un système Ă  un des deux points d'attache du mât tĂ©lescopique effectue les corrections nĂ©cessaires[15].

Le plan focal est occupĂ© par 4 dĂ©tecteurs au tellurure de cadmium-zinc associĂ©s Ă  un circuit intĂ©grĂ© spĂ©cialisĂ© (ASIC). Chaque dĂ©tecteur contient 32 Ă— 32 pixels de 600 microns. Les quatre dĂ©tecteurs sont jointifs avec un Ă©cartement de 500 microns. La taille du plan focal obtenu est de 13' Ă— 13'. La rĂ©solution angulaire est de 45 secondes. La rĂ©solution spectrale est de 500 eV pour les rayons entre 5 et 30 keV, de 1 keV pour les rayons de 60 keV et 1,2 keV pour les rayons X de 86 keV. Le plan focal est maintenu de manière passive Ă  une tempĂ©rature comprise entre 0 et 5 °C. Les dĂ©tecteurs sont protĂ©gĂ©s par un blindage cylindrique actif en iodure de cĂ©sium qui l'entoure sur une hauteur de 20 cm. L'ouverture dĂ©finie par le bouclier est de 16° mais un diaphragme passif limite l'ouverture Ă  4°[16].

Plateforme

La plateforme utilisée par le télescope est de type LEOStar-2, déjà mise en œuvre à 6 reprises pour des satellites scientifiques dont 3 satellites scientifiques de la NASA (SORCE, GALEX et AIM). Le satellite est stabilisé sur 3 axes et comporte un panneau solaire unique et articulé qui fournit 750 watts. Le contrôle d'attitude et le pointage repose sur un unique viseur d'étoiles multi-têtes[14].

DĂ©roulement de la mission

NuSTAR assemblé est en cours de préparation pour une série de tests.
Les lanceurs Pegasus sont lancées depuis un avion porteur.

NuSTAR est lancĂ© le 13 juin 2012 par un lanceur aĂ©roportĂ© Pegasus d'Orbital Sciences Corporation tirĂ©e au-dessus l'atoll de Kwajalein[14]. Le tĂ©lescope est placĂ© sur une orbite basse quasi Ă©quatoriale avec une inclinaison de 6° correspondant Ă  la latitude du site de lancement. L'orbite, quasi circulaire de 575 Ă— 600 km permet d'Ă©viter la zone de radiations intenses localisĂ©e au niveau de l'anomalie magnĂ©tique de l'Atlantique sud[17].

L'Agence spatiale italienne participe au projet en mettant à disposition sa station de Malindi au Kenya pour l'envoi des commandes au télescope et la réception des données scientifiques. L'envoi de commandes est assez espacé car les périodes d'observation de la même portion de ciel ont une durée d'une semaine ou plus. Les données scientifiques sont d'abord transférées au Caltech où elles sont traitées et validées puis sont distribuées à l'équipe scientifique. Après une période initiale de six mois au cours de laquelle les instruments sont calibrés et leurs performances sont vérifiées, les données sont mises à disposition du public deux mois après leur acquisition via le site HEASARC du centre de vol spatial Goddard[17].

La durée nominale de la mission est de deux ans. Compte tenu de l'altitude de l'orbite une durée de vie minimale de cinq ans doit être obtenue avant que l'orbite ne se dégrade trop du fait de la traînée atmosphérique. Une extension de la mission amenant la durée totale de celle-ci à sept ans est envisagée.

Le programme d'observation des deux premières années comprend principalement[18] :

Galerie

  • Le mât tĂ©lescopique en position de stockage.
    Le mât télescopique en position de stockage.
  • Test de dĂ©ploiement du mât.
    Test de déploiement du mât.
  • Deux vues d'une optique.
    Deux vues d'une optique.

Notes et références

  1. (en) Charles J. Hailey et al, « The Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR): Optics Overview and Current Status », , p. 4-6[PDF]
  2. (en) Fiona A. Harrison et al, « The Nuclear Spectroscopic Telescope Array », , p. 2[PDF]
  3. (en) « NASA press release 03-353: NASA Selects Explorer Mission Proposals for Feasibility Studies », NASA,
  4. (en) NASA press release 05-026: NASA Selects Small Explorer Mission
  5. (en) « NASA press release 07-198: NASA Restarts Telescope Mission to Detect Black Holes », NASA,
  6. (en) « JPL mission news: NASA Restarts Telescope Mission to Detect Black Holes », NASA,
  7. (en) « NASA Plans Black Hole Finder », SPACE.com,
  8. (en) « NuSTAR Science », NASA JPL (consulté le )
  9. (en) « Science: Other science with NuSTAR », NASA JPL (consulté le )
  10. (en) « Science: Black holes », NASA JPL (consulté le )
  11. (en) « Science: Supernovae », NASA JPL (consulté le )
  12. (en) « Science: NuSTAR and Relativistic Jets », NASA JPL (consulté le )
  13. (en) « Science: The Milky Way Galaxy », NASA JPL (consulté le )
  14. (en) « NuSTAR : Fact sheet », Orbital Science, [PDF]
  15. (en) CCarl Christian Liebe et al, « Metrology System For Measuring Mast Motions On The NuSTAR Mission », [PDF]
  16. (en) Fiona A. Harrison et al, « The Nuclear Spectroscopic Telescope Array », , p. 4-6[PDF]
  17. (en) Fiona A. Harrison et al, « The Nuclear Spectroscopic Telescope Array », , p. 7[PDF]
  18. (en) Daniel Stern (JPL), « The Nuclear Spectroscopic Telescope Array », , p. 4-6[PDF]

Bibliographie

NASA
  • (en) NASA, Nuclear Spectroscopic Telescope Array, or NuSTAR, 2012, (lire en ligne)
    Dossier de presse fourni par la NASA pour le lancement de NuSTAR.
Programme Explorer
  • (en) Brian Harvey, Discovering the cosmos with small spacecraft : the American Explorer program, Cham/Chichester, Springer Praxis, 2018, (ISBN 978-3-319-68138-2)
    Histoire du programme Explorer.


Voir aussi

Liens internes

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