Un masque codé pour sonder le passé

Dans le cadre de la mission spatiale SVOM dont le lancement est programmé en juin 2022, une équipe du laboratoire Astroparticule et Cosmologie (Université Paris Cité, CNRS) vient de livrer au CNES un élément essentiel de l’instrument ECLAIRs pour la quête des sursauts gamma. Rencontre et explications avec ses concepteurs.

Détail du modèle de vol du masque codé de l’instrument ECLAIRs (mission spatiale SVOM)

Sonder le passé

Si la naissance de l’univers reste une grande énigme, l’observation d’intenses flashs de lumière gamma – parmi les plus lumineux observés depuis le Big Bang – pourrait aider à percer certains mystères. Ces flashs intenses dans le domaine X/gamma, également appelés sursauts gamma, ont pour caractéristiques d’être imprévisibles et de ne durer qu’une poignée de secondes. Pour observer ce qui pourrait être la fin cataclysmique de certaines des premières étoiles de l’univers, des moyens prodigieux sont réunis pour sonder notre passé.

La mission SVOM et l’instrument ECLAIRs

C’est dans ce contexte que la mission franco-chinoise SVOM a été lancée. Développé côté français en partenariat avec le CNES, le CEA, les Instituts INSU et IN2P3 du CNRS dont fait partie le laboratoire APC d’Université Paris Cité, ce projet d’observatoire spatial – auquel s’ajoutent des télescopes au sol – doit notamment détecter les sursauts gamma. Son lancement est prévu en juin 2022.

Pour observer ces phénomènes cosmiques transitoires depuis l’espace, la mission SVOM met au point quatre instruments principaux de mesure. Parmi eux, ECLAIRs doit enregistrer des rayonnements X/gamma provenant des confins de l’univers en offrant un grand champ de vue, impossibles à observer avec des lentilles ou des miroirs qui eux focalisent la lumière visible. C’est ici qu’entre en jeu la technique du masque codé, un savant mélange de mécanique et de science. « L’APC porte la responsabilité du masque codé tant du point de vue des choix scientifiques que de la conception mécanique, mais c’est un véritable travail d’équipe impliquant notamment le CNES et le laboratoire AIM du CEA-Université Paris Cité qui a permis d’aboutir au design final » nous explique Cyril Lachaud, enseignant-chercheur et responsable scientifique du masque codé.

Le principe du masque codé

Cyril Lachaud présente les caractéristiques du masque : « Il va en quelque sorte coder le signal de chaque point du ciel. Quand deux sources lumineuses dans le domaine X/gamma vont traverser le masque, une ombre caractéristique va se projeter sur le plan de détection. Selon la position de la source lumineuse dans le ciel, les ombres sur le plan vont varier, puis par un jeu mathématique (la déconvolution) on pourra reconstruire la position des sources qui ont produit ces ombres. Non seulement on sera en mesure de localiser la source, mais grâce à la lumière recueillie on pourra reconstruire son spectre énergétique ».

Face à ces espaces infinis, on pourrait se demander comment faire pour ne pas s’y perdre entre les différentes sources lumineuses observables. « D’abord on n’observe que les sources dans le domaine X/gamma car le ciel en comporte beaucoup moins que dans le domaine visible par exemple explique Cyril Lachaud. Ensuite quand on veut détecter et observer les rayons X/gamma dans le ciel, on dispose de catalogues de sources qui nous permettent de savoir où se trouvent les sources connues. Si tout à coup on voit apparaître une source en gamma qui ne figure pas dans le catalogue à bord, on peut émettre l’hypothèse qu’il s’agit d’un sursaut gamma ».

Un masque unique

La technique du masque codé est connue et répandue en astrophysique, mais ce masque-ci se démarque par sa capacité à permettre l’observation des sursauts gamma dans une gamme d’énergie comprise entre 4 et 150 keV, seuil bas jamais atteint jusque-là par ce type de masque. « Contrairement à tous les masques codés développés dans le domaine spatial explique Alain Givaudan, chef de projet à l’APC, celui d’ECLAIRs ne pouvait reposer sur aucune structure porteuse car cette structure aurait absorbé les photons en dessous de 15 keV ». Il complète : « Si on compare avec une mission spatiale comme SWIFT qui embarque à son bord un immense masque codé, on remarque que la structure de notre masque est très différente car c’est un masque dit autoporteur, ce qui  permet à ECLAIRs de descendre jusqu’à 4 keV. Il est fixé sur les côtés mais pas directement sur un support, on peut voir à travers ».

De la dentelle ultrarésistante 

On devine que la confection du masque n’a pas dû être de tout repos. « C’était un travail immense et de longue haleine qui nous a pris plus de dix ans indique Cyril Lachaud. Il a parfois fallu opérer des changements radicaux, comme la fois où on s’est aperçu que le motif retenu ne pourrait finalement pas supporter les niveaux de vibration exercés au décollage. Nous avons dû ajouter une grande croix au centre qui ne gêne pas l’imagerie scientifique grâce à un savant jeu de retrait au niveau des sous-masques ».

Les équipes du laboratoire APC ont ainsi dû concevoir et fabriquer deux modèles intermédiaires de validation pour arriver à ce masque unique en son genre. Sa conception innovante lui permet de résister aux très hauts niveaux de vibrations qu’il subira au décollage de la fusée chinoise qui l’emportera en orbite. « Le masque a été qualifié pour supporter jusqu’à 20 fois son propre poids lors du décollage » précise Alain Givaudan.

La partie codante du masque est faite en tantale, un matériau très dense fortement opaque aux rayons X/gamma. « En réalité le masque codé est composé de plusieurs masques assemblés, celui en tantale est le masque scientifique, les deux masques en titane ne sont là que pour la tenue mécanique » précise Cyril Lachaud. Par un astucieux retrait géométrique, les nervures de titane ne se retrouvent pas dans le champ de vue de l’instrument. Tout se passe comme si elles n’étaient pas là et que seule la feuille de tantale était utilisée. Il poursuit : « La partie en tantale est celle qui sert à l’observation des sursauts gamma, mais la solidité de l’ensemble repose sur la structure en titane car une feuille de tantale se briserait immédiatement lors du décollage – elle ne mesure en effet que 0,6mm d’épaisseur. En 15 ans les niveaux de vibration n’ont fait qu’évoluer, il a constamment fallu que l’on s’adapte. On a eu beaucoup de réunions de crise mais une grande étape vient d’être franchie ! ».

ECLAIRs et son masque codé viendront compléter la collection d’instruments au sol et dans l’espace développés dans le cadre de la mission SVOM. Rendez-vous en juin 2022 pour la mise sur orbite et un pas de plus dans l’exploration du ciel transitoire.

Illustration du principe de la technique d’imagerie par masque codé. Une source lumineuse (par exemple une source astrophysique) va, en traversant le masque, laisser un motif d’ombre et de lumière unique enregistré par le plan de détection (représenté ici par la feuille de papier quadrillée). En connaissant le motif du masque et l’enregistrement du plan de détection, on peut reconstruire la position de la source. © SVOM @APC, CEA, Université Paris Cité

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Communiqué de presse du CNRS