Nuclear Spectroscopic Telescope Array

NuSTAR

Vue d'artiste du télescope NuSTAR

Caractéristiques

Organisation	NASA
Domaine	Télescope Rayons X
Statut	en cours de développement
Masse	360 kg
Lancement	février 2012
Lanceur	Pegasus
Fin de mission	février 2014

orbite basse circulaire

Périapside	575 km
Apoapside	600 km
Inclinaison	6°

Télescope

Type	Wolter type I
Focale	10,15 m
Champ	13' x 13'
Longueur d'onde	5 à 80 keV

Informations générales

Programme	Small Explorer
Site	http://www.nustar.caltech.edu/

Le Nuclear Spectroscopic Telescope Array ou NuSTAR est un télescope spatial à rayons X de l'agence spatiale américaine de la NASA qui doit observer des rayons plus énergétiques (6-79 keV) que ceux étudiés par Chandra et XMM-Newton. Le télescope utilise deux optiques de type Wolter-I : celles-ci sont constituées de 133 miroirs cylindriques emboités les uns dans les autres. Les miroirs en verre sont recouverts de plusieurs couches de composants 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 4 semi-conducteurs de type Cadmium-Zinc-Tellurium. Le télescope utilise une technologie mise au point pour le télescope 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 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 supernovae 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 11ème satellite du programme Small Explorer de la NASA dédié aux petits satellites scientifiques dont le coût est inférieur à 120 millions $. Il doit être lancé durant le premier trimestre 2012 par une fusée Pegasus qui placera NuSTAR sur une orbite basse circulaire à 600 km d'altitude avec une inclinaison quasi équatoriale (6°). La durée nominale de la mission est de deux ans mais pourrait être étendue à six ans.

Contexte

Des progrès technologiques 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'incidence est presque rasante 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 n'était utilisée que pour les rayons X mous, peu énergétiques^[1].

Au cours des années 2000 des progrès technologiques majeurs ont été effectués dans le domaine de l'astronomie des rayons X durs (plus de 10 keV) qui peuvent être désormais observés à l'aide de télescopes dotés d'un système de focalisation. Ce type d'optique permet un gain d'un ordre de grandeur en sensibilité par rapport aux systèmes à collimateurs ou à masques codés utilisés jusqu'à présent pour l'observation des rayons X durs. Le rapport entre la surface collectrice et celle du détecteur peut être de 1 000 ou plus. Pour parvenir à focaliser les rayons X à grande énergie, la surface collectrice qui réfléchit des rayons X arrivant sous une incidence de quelques minutes d'arc, est recouverte de plusieurs couches de revêtements métalliques qui exploitent le principe du miroir de Bragg pour permettre leur réflexion sous des incidences plus élevées. Ces nouvelles techniques ont d'abord été implémentées sur des télescopes X transportés par ballon-sonde tels que le High-Energy Focusing Telescope (HEFT) : celui-ci a permis la mise au point de l'optique et des détecteurs utilisés par NuSTAR qui doivent être également mis en œuvre par le télescope spatial japonais ASTRO-H. NuSTAR est le premier télescope spatial à utiliser cette technique^[2].

Le lancement du projet NuSTAR

En mai 2003 NuSTAR est une des 36 propositions soumises pour les 10 et 11ème satellites du programme Small Explorer qui regroupe des missions scientifiques à coût peu élevé (moins de 120 millions $)^[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 aout 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 spatial Goddard fournit les miroirs élémentaires ; l'université technique du Danemark est chargée du dépôt des couches de revêtements métalliques sur les plaques de verres. Celles-ci sont ensuite assemblées à l'université Columbia grâce à des machines conçues à cette seule fin. Le Caltech développe les détecteurs situés au plan focal. Les autres centres de recherche concernés sont l'université de Californie, l'université de Californie de Santa Cruz, le Centre de l'accélérateur linéaire de Stanford et l'université de Sonoma. 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

jet de particules relativistes produit par un trou noir supermassif situé au centre d'une galaxie

Schéma du télescope Nustar 1 : optique - 2 : détecteur au plan focal - 3 : senseur stellaire - 4 & 5 : système de mesure laser - 6 : mât déployable (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 a été peu étudié car les optiques mises en œuvre utilisaient 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 des explosions supernovae 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 pourraient 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 degré 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 supernovae

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

Étude des sources de jets relativistes

La plupart des galaxies, y compris la notre, 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 jet 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'énergie 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 invisibles sur d'autres longueurs d'ondes 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 hyper-puissant, 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 télescopes 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 télescopes identiques qui utilisent une optique Wolter de type I : le rayon est d'abord réfléchi par un miroir parabolique puis par un miroir hyperbolique dans le prolongement du premier. Une optique est constituée de 133 couches (coques) : une coque est constituée d'un miroir cylindrique supérieur et inférieur dans le prolongement l'un de l'autre (voir schéma) tous deux légèrement coniques permettant ainsi de reproduire les formes parabolique et hyperbolique. Un miroir est constitué par l'assemblage d'un nombre variable de plaques de verre d'une épaisseur de 2,1 mm mises en forme par thermoformage : les miroirs internes (coques 1 à 65) sont constitués de 12 plaques de verre tandis que les miroirs externes sont réalisés avec 24 plaques. Les plaques sont attachées 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 recherchée. Les entretoises solidarisent les miroirs avec une structure réalisée en titane. Les différentes pièces sont collées entre elles à l'aide d'époxyde. Chaque plaque de verre est recouverte de plusieurs couches de matériau réfléchissant : chaque couche est dédiée à la réflexion d'une partie du spectre des rayons X. L'optique utilise en tout 10 combinaisons différentes de matériau réfléchissant pour obtenir les propriétés optiques désirées : la couche réfléchissante des coques extérieures 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 collectés par cette partie de l'optique^[1].

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

Une optique assemblée 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 réduit à 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 télescope se fait à 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 télescope à faible coût, l'écartement entre l'optique et le plan focal est obtenu à l'aide d'un mât télescopique qui se déploie en orbite. Ce système a déjà été mis en œuvre notamment pour les panneaux solaires de la station spatiale internationale et lors d'une mission de la navette spatiale américaine. Le télescope est placé sur une orbite basse ce qui limite les coûts mais entraîne des amplitudes importantes et fréquentes de température. Le mât est soumis à des contraintes thermiques importantes lors du passage du télescope du côté jour au côté nuit de son orbite qui induisent des déformation de la géométrie de l'ensemble constitué par l'optique et les détecteurs situés au plan focal. Pour limiter ces variations qui dégradent la qualité des images obtenues, un système de mesure laser permet de détecter les écarts en comparant en parallèle l'image fournie par le senseur stellaire et celle recueillie par les détecteurs. Seuls sont corrigés les écarts transversaux par rapport à l'axe optique et les torsions le long de cet axe. Les déformations sur les trois autres degrés de liberté, entre autres l'écartement entre optique et plan focal, ont un impact sur la qualité du résultat qui est estimé négligeable. Un système à un des deux points d'attache du mât télescopique effectue les corrections nécessaires^[15].

Le plan focal est occupé par 4 détecteurs Cadmium-Zinc-Tellurium associé à un circuit intégré spécialisé] (ASIC). Chaque détecteur contient 32x32 pixels de 600 microns. Les quatre détecteurs sont jointifs avec un écartement de 500 microns. La taille du plan focal obtenu est de 13' x 13'. La résolution angulaire est de 45 secondes. La résolution spectrale est de 500eV 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 à une température comprise entre 0 et 5 °C. Les détecteurs sont protégées par un blindage cylindrique actif en iodure de césium qui l'entoure sur une hauteur de 20 cm. L'ouverture définie par le bouclier est de 16° mais un diaphragme passif limite l'ouverture à 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 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 senseur stellaire multi-têtes^[14].

Déroulement de la mission

NuSTAR assemblé est en cours de préparation pour une série de tests

Les fusées Pegasus sont lancées depuis un avion porteur

NuSTAR doit être lancée par une fusée Pegasus d'Orbital Sciences Corporation durant le premier trimestre 2012 tirée depuis l'atoll de Kwajalein^[14]. Le télescope doit être placé sur une orbite basse quasi équatoriale avec une inclinaison de 6° correspondant à la latitude du site de lancement. L'orbite, quasi circulaire de 575 x 600 km permet d'éviter la zone de radiations intenses localisée au niveau de l'anomalie magnétique 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 validée 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 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 devrait 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] :

– observation des sources de rayons situées à l'extérieur de notre galaxie en particulier de la zone XBoötes (8,5 deg²) det de la zone GOODS (300 arc-minutes²) ;

– observation de notre galaxie (remanants de supernovae, naines blanches, étoiles à neutrons, trous noirs) notamment du centre galactique (2 x 0,8°) ;

– observation des rémanent des supernovae « historiques » telles que SN 1987A Cassiopeia A SN 1604 SN 1572 ;

– observation des blazars de manière coordonnée avec l'observatoire spatial gamma GLAST et l'observatoire gamma terrestre VERITAS.

Galerie

• 

  Le mât télescopique en position de stockage

• 

  Test de déploiement du mât

• 

  Une optique en cours d'assemblage

Notes et références

Voir aussi

Liens internes

• Chandra, télescope spatial X mous de la NASA
• XMM-Newton, télescope spatial X mous de l’Agence spatiale européenne
• International X-ray Observatory, futur télescope X ESA-NASA
• Télescope spatial

Liens externes

• (en) Site officiel de Caltech
• (en) Document de référence de la mission NuSTAR [PDF]
• (en) Présentation de la mission NuSTAR (sept 2009) [PDF]
• (en) Caractéristiques de la partie optime [PDF]
• (en) Caractéristiques du système de mesure des déformations de l'ensemble optique [PDF]

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