Spectroscopie X à haute résolution avec l’instrument X-IFU de la mission Athena : développement des microcalorimètres, et études de faisabilité

Soutenance de thèse de Sophie Beaumont (Salle de Conférence, IRAP Roche)

Résumé de la thèse

Améliorer notre compréhension de l’assemblage et de l’évolution des structures à grandes échelles de l’Univers, ainsi que le rôle qu’y jouent la gravité, les trous noirs, les explosions d’étoiles, etc, requiert l’étude des sources et phénomènes chauds et énergétiques. Du fait de leur émission dans le domaine des rayons X, pouvoir accéder à la spectroscopie X à haute résolution spatiale et spectrale, en particulier pour les sources étendues comme les amas de galaxies, est essentiel pour parvenir à de nouvelles avancées dans notre compréhension des structures à grandes échelles. De telles capacités seront fournies par X-IFU, le spectrographe à intégrale de champ en rayons X àbord de l’observatoire Athena (Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics), grâce à une instrumentation à la pointe de la technologie avec à son cœur des microcalorimètres de type ”Transition-Edge Sensor” (TES). Ce spectromètre à haute-résolution non dispersive délivrera des données spectrales X avec une résolution en énergie sans précédente de ∼2.5 eV jusqu’à7 keV, ouvrant la voie pour lever certaines énigmes de l’Univers chaud et énergétique. Des travaux de conception et de développement technologique intenses ont lieu à l’heure actuelle afin de permettre la réalisation de cette mission prévue pour un lancement à la fin des années 2030, et assurer que toutes les exigences critiques et objectifs scientifiques soient atteints. Un nombre important de ces objectifs scientifiques se rapportent à l’étude et la caractérisation des amas de galaxies, sondes idéales pour notre compréhension des structures à grandes échelles.
Cette thèse commence par la présentation de mes travaux et résultats sur deux études de faisabilités. La première s’intéresse à l’échange de charges (CX), un processus physique qui donne lieu à des caractéristiques fines dans le spectre des rayons X mous, difficiles voire impossibles à détecter ou résoudre avec les générations précédentes d’instruments sans microcalorimètres. J’étudie ici les erreurs systématiques induites par le CX afin d’évaluer si les propriétés physiques du plasma chaud intergalactique peuvent être déterminées par X-IFU, selon sa conception actuelle, au niveau d’exigence voulue. La seconde étude évalue la capacité du X-IFU à caractériser les mouvements turbulents dans les amas de galaxies proches. Elle repose sur l’utilisation de simulation d’observations avec l’instrument X-IFU. Ce travail permettra, en particulier, d’optimiser la stratégie d’observation de futures observations réelles avec X-IFU.
Afin d’atteindre les objectifs scientifiques ambitieux de l’instrument X-IFU, il est impératif que toutes les exigences instrumentales soient atteintes. En particulier, le développement de la matrice de microcalorimètres X qui sera fournie par le Goddard Space Flight Center de la NASA, se poursuit afin d’affiner leur conception, et d’assurer qu’un niveau de technologie (TRL) suffisant soit atteint avant l’adoption de la mission puis le lancement. Dans ce travail, je me concentre sur l’un des aspects clés parmi plusieurs dans le développement des détecteurs: la caractérisation de leur performance sur le long terme. Cela concerne le cycle de vie complet des détecteurs, depuis l’instant où ils sont fabriqués et potentiellement exposés à l’oxygène, l’humidité, ou des températures élevées, jusqu’à leur opération dans l’espace, où ils seront soumis aux rayonnements cosmiques qui peuvent les endommager.
En parallèle au développement des détecteurs, le fonctionnement de la chaine de lecture de détection complète du X-IFU, constituée des contributions d’une collaboration internationale, a besoin d’être démontré. Cette tâche est en cours à l’IRAP sur un banc de test à50 mK dédié, qui jouera plus tard également un rôle central dans la calibration de l’instrument. Dans ce travail, je décris l’intégration de la chaine de détection dans le banc de test, ainsi que les premiers résultats et les prochaines étapes à venir.

Composition du jury de thèse