Étude des performances scientifiques et de l’étalonnage de l’X-ray Integral Field Unit à bord d’Athena

Soutenance de thèse d’Alexeï Molin (Salle de Conférence, IRAP Roche)

Résumé de la thèse : L’astronomie en rayons X étudie les objets les plus chauds et les phénomènes les plus énergétiques de notre Univers. La mission spatiale NewAthena est la deuxième prochaine mission de classe Large de l’Agence Spatiale Européenne, après LISA, et a pour thématique scientifique l’Univers chaud et énergétique, avec un lancement prévu à la fin des années 2030. NewAthena emportera un télescope en rayons X en orbite autour de la Terre avec à son foyer deux instruments, le Wide Field Imager, une caméra grand champ, et le X-Ray Integral Field Unit, un spectromètre d’intégrale de champ. L’instrument X-IFU permettra la mesure de spectres de haute résolution en rayons X entre 0.2 et 12 keV sur chacun de ses 1504 pixels grâce à sa matrice de micro-calorimètres de type Transition Edge Sensors (TES) refroidis à 55 mK.

NewAthena et l’instrument X-IFU permettront des avancées majeures dans l’étude des amas de galaxies, qui sont les objets les plus massifs issus du processus de formation des structures de l’Univers. Les amas de galaxies sont visibles en rayons X grâce au gaz chaud qu’ils contiennent, appelé milieu intra-amas. L’étude des propriétés du milieu intra-amas permet de comprendre la formation de ces grandes structures et les principaux mécanismes à l’œuvre dans celle-ci. En particulier, je m’intéresserai à l’étude des mouvements du gaz et de la turbulence, qui permettent de comprendre les processus qui dissipent de l’énergie dans ce milieu et contribuent au chauffage non-thermique du gaz. X-IFU permettra de de cartographier les mouvements du gaz, ce qui en fait un instrument idéal pour l’étude de la turbulence dans les amas. Au cours de ma thèse, je me suis appuyé sur des simulations réalistes d’observations d’un amas de galaxies type pour étudier les contraintes sur la turbulence qui pourront être obtenues à l’aide des futures observations de X-IFU. Cette approche a nécessité de prendre en compte la nature aléatoire des champs de turbulences et le fait que chaque amas observé représente une unique réalisation. Pour cela, j’ai utilisé d’abord une approche semi-analytique, basée sur un modèle théorique, et ensuite une approche basée sur des réseaux de neurones pour l’inférence. J’ai pu émettre des contraintes avec chacune des deux approches et conclure sur la capacité de X-IFU à contribuer à l’étude des turbulences dans les amas de galaxies.

L’instrument X-IFU est constitué d’une chaîne de lecture complexe pour l’acquisition des données issues des 1504 pixels. Le développement de cette chaîne de lecture demande la caractérisation des différents prototypes dans une configuration représentative du fonctionnement globale de l’instrument. Un banc de test cryogénique, appelé banc 50~mK, a été développé à cet effet à l’IRAP avec la collaboration du CNES. Il est constitué d’un cryostat et d’une matrice de micro-calorimètres au fonctionnement similaire à ceux de X-IFU. Ce banc de test a été caractérisé en performance avec une électronique de lecture dont le fonctionnement a déjà été établi par ailleurs à la NASA/GSFC. Au cours de ma thèse j’ai contribué à l’amélioration des performances de ce banc, à travers sa stabilité thermique et son niveau de bruit électronique. J’ai également déterminé les paramètres de fonctionnement optimaux de la matrice de micro-calorimètres avant l’installation des premiers prototypes de l’électronique de X-IFU.

L’étalonnage de X-IFU sera un processus complexe divisé en plusieurs tâches, mené d’abord au sol sur les modèles de démonstration, d’ingénierie et de vol, puis en vol. Dans la dernière partie de ce manuscrit, je décris le plan d’étalonnage de X-IFU, ainsi que mes contributions à cet effort à travers le développement de sources d’étalonnage et de compétences pour leur utilisation.

Composition du jury de thèse :

• Gabriel Pratt, Rapporteur, CEA IRFU Paris Saclay,
• Bruno Maffei, Rapporteur, Université Paris Saclay – IAS,
• Geneviève Soucail, Examinatrice,  IRAP
• Laura Salvati, Examinatrice, CNRS – IAS
• François Xavier Desert, Examinateur,  IPAG
• François PAJOT, Directeur de thèse, IRAP
• Étienne Pointecouteau, Directeur de thèse, IRAP