Etude des performances scientifiques et instrumentales du spectrographe à champ intégral (X-IFU) de la mission Athena

Soutenance de thèse de Florent CASTELLANI (Salle Coriolis, OMP)

Résumé de la thèse

L’Univers chaud et énergétique est au coeur des thématiques de l’astronomie en rayons X. Les observations dans cette bande de longueurs d’onde permettent d’étudier, par exemple, l’émission du gaz chaud contenu dans les groupes et amas de galaxies, celles des disques d’accrétion des trous noirs ou encore celles des explosions d’étoiles. La spectroscopie à haute-résolution en rayons X résolue spatialement permettra de repousser les limites des observatoires actuels avec des images hyperspectrales de ces phénomènes astrophysiques. Le X-ray Integral Field Unit (X-IFU), à bord du futur satellite Athena de l’agence spatiale européenne, sera un spectro-imageur dans la bande d’énergie 0.2 – 12 keV avec une résolution de 2.5 eV jusqu’à 7 keV, grâce à des micro-calorimètres supraconducteurs de type Transition Edge Sensor (TES).
Je présente dans cette thèse mon travail sur l’étude des performances scientifiques et instrumentales du X-IFU. Dans une première partie, je décris une étude de faisabilité d’un cas scientifique de la mission : la caractérisation physique des groupes de galaxies distants. A partir d’observations de l’instrument simulées numériquement, j’ai reconstruit les caractéristiques thermodynamiques et chimiques avec une modélisation ajustée par une méthode MCMC. Les caractéristiques retrouvées sont ensuite comparées à celles du système physique d’entrée pour évaluer les capacités de l’instrument. Les résultats montrent que le X-IFU, dans sa configuration actuelle, permet de reconstruire les profils thermodynamiques tridimensionnels d’un groupe de galaxies (M < 10^14 Msoleil) à haut redshift (z = 2) avec un temps d’exposition de 100 ks. Cette étude a montré l’importance de prendre en compte la dispersion des quantités thermodynamiques dans les profils radiaux 3D du groupe de galaxies, qui entraîne une forte dispersion des quantités projetées le long de la ligne de visée. Dans la seconde partie de la thèse, je présente ma participation au développement d’un banc de test cryogénique, développé à l’IRAP avec le CNES, appelé “banc 50 mK”. Il possède un cryostat permettant d’opérer les détecteurs TES ainsi que leur chaîne électronique complète de détection et de lecture. Une électronique complète, développée à la NASA/GSFC et au NIST, a été installée provisoirement pour évaluer les performances du banc de test. Les éléments de la chaîne de lecture actuelle seront progressivement remplacés par les modèles de démonstration de la chaîne de lecture du X-IFU. Après des travaux de compatibilité électromagnétique, les résultats montrent que le banc 50 mK est prêt à recevoir ces modèles de démonstration pour effectuer une validation fonctionnelle de la chaîne de lecture complète du X-IFU.
La troisième partie expose ma contribution dans la validation fonctionnelle du premier prototype de la chaîne de lecture du X-IFU : le module d’adressage des lignes et de synchronisation (RAS). Le succès de l’opération indique que le banc de test cryogénique de l’IRAP est un outil adapté à l’étude des performances de l’électronique de lecture du X-IFU. Il servira, par la suite, à la validation des sources X pour l’étalonnage de l’instrument.

Composition du jury de thèse