6 Mai 2021

[Quézako?] Des facettes, des étoiles et des homards...

Inspirée des yeux des homards, cette optique à facettes va « attraper » les rayons X émis lors des explosions d’étoiles dans le noir de l’Univers.

Crédits : CNES/DE PRADA Thierry, 2021.

Cette photo a été prise depuis une des extrémités du télescope MXT qui  équipera le satellite franco-chinois SVOM. On y voit le recto de son optique quadrillée, un peu type « bataille navale ». Son verso est visible sur la photo ci-contre, en vraies couleurs. Cette optique révolutionnaire captera les photons de haute énergie (rayons X) émis lors de l’explosion d’étoiles massives (plus de 20 fois la masse du Soleil) ou la fusion d'étoiles à neutrons. Pour la concevoir, les scientifiques et ingénieurs se sont inspirés des yeux de crustacés : homards, crevettes, crabes…

Verso de l'optique du télescope MXT du satellite SVOM. Crédits : CNES/DE PRADA Thierry, 2021.

La nature inspire les chercheurs

Ces crustacés, de l'ordre des décapodes, possèdent des yeux composés de facettes. Mais pas des facettes hexagonales comme chez la majorité des insectes, non des facettes carrées. Par réflexion, ces facettes concentrent les moindres rayons lumineux en un seul point focal, leur assurant une vision parfaite même si leur environnement de vie est très sombre. Cette adaptation naturelle est un avantage pour ces animaux vivant en profondeur ou dans des milieux troubles : elle leur permet de collecter le maximum de lumière afin de repérer plus rapidement les prédateurs et leurs sources de nourriture. Miam Miam !

Autre avantage : ces yeux procurent un champ de vision très ouvert, pratiquement à 180°, car ils « captent » même les rayons arrivant en incidence rasante. Pile poil ce qu’il faut pour un télescope spatial comme MXT : un grand champ de vision adapté à un milieu obscur (l’Univers) pour capter et localiser le moindre rayon X passant dans les parages, quel que soit son angle d’arrivée. Vive les crevettes, vive les homards, vive la nature !

Principe de fonctionnement d’une optique de type « oeil de homard ». Crédits : Götz et al., 2015.

15 millions de micro-tubes en verre

Mais, pas de quiproquo, les 25 plaques carrées de la photo principale ne constituent pas les facettes ! L'essentiel est invisible pour les yeux... Ces facettes sont en effet microscopiques : 40 µm de côté (inférieur au diamètre d'un cheveu) ! Chaque plaque contient environ 600 000 facettes. Pendant 6 ans, notre équipe a travaillé à la conception et la fabrication de ces 15 millions de facettes avec la société Photonis. Elles se devaient d'être parfaites.

« Réaliser des micro-canaux réguliers de cette taille dans du verre a été un challenge. Le processus industriel nécessite plus de 50 étapes de fabrication, toutes aussi complexes et délicates les unes que les autres » explique François Gonzalez, notre chef de projet SVOM. Les plaques ont ensuite été fournies à l'Université de Leicester, en Angleterre, pour leur intégration sur un cadre légèrement convexe, en aluminium, équipé de réchauffeurs pour le contrôle thermique et un système d'aimants pour dévier les particules chargées non souhaitées (les fils oranges et rouges autour du cadre, sur la photo principale).

 

Zoom sur les facettes en verre du télescope MXT. Ces micro-tubes de 40 µm de côté ont une profondeur comprise entre 1,05 et 2,4 mm. Ils sont recouverts d’iridium afin d’augmenter leur réflexivité aux rayons X. Crédits : Götz et al., 2015.

La technologie du futur pour les X

C’est la 1re fois qu’une telle optique va équiper un télescope observant les rayonnements X émis par les sursauts gamma et autres événements astronomiques extraordinaires. Les précédents télescopes spatiaux étaient composés d’une multitude de longs et cylindriques miroirs qui ne captent que les rayons X arrivant de face. Ces télescopes sont très gros et lourds, ce qui est un inconvénient pour un instrument spatial que l’on cherche toujours à miniaturiser pour en diminuer le coût au lancement. L'optique de MXT ne pèse que 1,8 kg, contre plusieurs dizaines de kg pour les instruments similaires des missions SWIFT et XMM-Newton.

L’optique de MXT est une 1re mondiale !

Elle ouvre la voie des futures optiques X et est une vraie rupture technologique. Ce nouveau design permet de construire des télescopes beaucoup plus légers avec un grand champ de vue. C’est la technologie du futur » souligne Karine Mercier, notre responsable du développement de l’instrument MXT.

L'optique sera intégrée fin mai/début juin sur le corps central du télescope MXT avec une livraison prévue à l’agence spatiale chinoise fin 2021. Lancement prévu fin 2022 à bord d’une fusée Long March 2C.

L’optique sera positionnée au bout du télescope long de 1,3 m. Crédits : CNES/DE PRADA Thierry, 2021.

Karine Mercier, responsable au CNES du développement de l’instrument MXT. Crédits : CNES/DE PRADA Thierry, 2021.

SVOM, un satellite à 4 yeux

Le satellite SVOM va observer l’Univers dans les hautes énergies pour scruter des phénomènes astrophysiques qui caractérisent l’évolution de cet univers changeant, comme par exemple la mort des étoiles puis l’apparition de trous noirs. L’explosion des étoiles massives, mais aussi la fusion d'étoiles à neutrons, libèrent une grande quantité de photons super énergétiques dans la gamme des rayons X et des rayons gamma. Pour les voir et les étudier correctement, l’atmosphère terrestre absorbant ces rayonnements, il faut se placer au-delà. En orbite autour de la Terre à 635 km d’altitude, SVOM pourra les observer tranquillement grâce à 4 « yeux », dont 2 réalisés sous maîtrise d’œuvre du CNES en partenariat avec le CNRS et le CEA : MXT et ECLAIRs.

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