SVOMs franska instrument, på jakt efter gammastrålning!

ECLAIRs och MXT är redo att åka till Kina, varifrån de kommer att lyfta för ett gemensamt och aldrig tidigare skådat astronomiskt uppdrag: SVOM. På jakt efter gammastrålning kommer de att vara länken i en kedja av observationer vid gränsen för teknik och samarbete. Vi gick för att se dem på CNESI Toulouse.

Från de mest energiska händelserna i universum till hummers ögon.

Kollapsteori

Det första dokumenterade spåret av den “övergående himlen” inträffar 1054, när en stjärna exploderade i en supernova och genererade krabbanebulosan. Det var kinesiska astronomer som exakt katalogiserade och dokumenterade det, innan det återupptäcktes i väst under de följande århundradena och 1968 identifierades en pulsar där, en stark källa till gammastrålar, den mest energiska formen av ljus. Franska forskare, i den korta historien av modern detektion av gammaemissionskällor, är mycket aktiva, särskilt inom det specifika området gammastrålningskurar.

Dessa signaler är mycket korta, varar från några sekunder till några minuter och sänds ut av en stjärna som kollapsar och bildar ett svart hål, eller när två neutronstjärnor kolliderar. En sällsynt händelse… ja, inte så mycket i universums skala! Över hela himlen är det möjligt att upptäcka ungefär en per dag, och dessa skurar är av stort intresse för astrofysiker. För sedan den första vanliga observationen som gjorde det möjligt att upptäcka källan till en gammastrålning 1995, vet vi att en stor del av dem är utomordentligt avlägsna: det är det spektakulära slutet av den “första generationen” av stjärnor i universum vars energi når oss som ett eko, nästan 13 miljarder år senare. 2009 upptäcktes en gammastrålning, så avlägsen att den skulle ha ägt rum bara 625 miljoner år efter Big Bang!

Alltid, SVOM…

Detta fortfarande mycket unga område av astrofysik väcker många frågor, och forskare undrar till exempel om det är möjligt, tack vare studiet av dessa utbrott (och de mindre energiska strålarna som sedan produceras av samma källa) att fastställa parametrar för de unga Universum och dess första stjärnor… Det viktigaste är först och främst att ge oss själva möjligheten att lokalisera dem, att studera dem så snabbt och så exakt som möjligt för att bättre förstå dem. Och det är där dedikerade rymdteleskop kommer väl till pass, som spelar rollen som “tidiga detektorer”, som riktar ansträngningar runt om i världen runt skurar de just har fångat.

Frankrike har redan deltagit i ett sådant uppdrag med Granat, sedan satte USA in Swift 2004. Och nästa satellit att lämna, som borde ta ett riktigt steg framåt på fältet, är detta fransk-kinesiska samarbete (eller kinesisk-franska) , SVOM. SVOM kommer att placeras på en höjd av cirka 625 km, med en lutning på cirka 30°. Uppdraget bör komma i tjänst och “producera” sina upptäckter i slutet av 2023, två till tre månader efter starten. Dess fulla uppdrag kommer att pågå i minst 3 år, mer sannolikt 5, och kanske ännu mer, hoppas forskarna redan.

Detektioner för andra

SVOM (Space-based multi-band astronomical Variable Objects Monitor), kommer att skjutas upp från Xichang-platsen i Kina och kommer därför att vara en satellit för observation och snabb detektering av gammastrålningskurar. Det kommer att kunna räkna med sina två franska instrument ECLAIRs och MXT, och på ett partnerskap som sträcker sig långt bortom rymdoperationer… Eftersom målet är att samordna med hjälp av ett VHF-nätverk med mer än 40 stationer runt om i världen, har observationer av teleskop tillgängliga på marken på extremt kort tid: mellan 1 och 3 minuter efter upptäckt!

Uppdraget kommer också att inleda två kinesiska instrument, som i slutändan involverar ett stort antal laboratorier och byråer (CNES, CEA, IRAP – och många andra inblandade – på den franska sidan, CNSA, CAS, SECM och NSSC på den kinesiska sidan), utan även med hänsyn till enheterna på plats. SVOM och dess 930 kg vid start utgör ett av de två stora samarbetena mellan Frankrike och Kina i rymden, efter satelliten CFOSat som har studerat vindar och vågor från låg omloppsbana i tre år nu.

Det är ett samarbete på mer än tio år, som var komplicerat att genomföra… för vetenskapliga frågor förstås (instrumenten är innovativa) men också geopolitiska mellan franska och kinesiska industrimän. Och även av hälsoskäl: pandemin och stängningen av handeln med Kina för en tid bromsade projektet avsevärt 2020. Synd för de gemensamma teamen som just hade sett varandra i flera månader att låsa upp de sista svåra punkterna på sidan teknisk.

BLIXTAR av genialitet

SVOM-uppdragets huvuddetektor befinner sig fortfarande i ett par dagar i dess rena rum, på CNES-platsen i Toulouse. Det är ECLAIRs instrument, som kommer att ha den tunga uppgiften att fånga och lokalisera gammastrålningskurar med hjälp av sin specifika sensor. Officiellt är det ett “wide-field coded aperture telescope”, även om det under nuvarande förhållanden precis innan det skickades till Kina i första hand är en stor 80 kg sluten trapets.

Men inuti är det en design- och ingenjörsmässig pärla. För under omslaget hittar vi först vad som ser ut som en labyrint, eller en stor QR-kod, 54 cm på en sida. Detta är den “kodade masken” av ECLAIRs, som fungerar på samma princip som ett solur: en gammastrålning kommer att projicera en bild av masken på dess huvudsensormatris som ligger nedanför, och utrustad med 6400 detektorer. Beroende på vinkeln och positionen för skuren på himlen kommer projektionen inte att vara densamma på matrisen, och med satellitorienteringsdata kommer omborddatorn att mycket exakt hitta källan till gammastrålningen sprängs i himlen.

Detta representerar ett betydande beräkningsarbete på utrustningen ombord, vilket möjliggör en realtidsstudie av dessa transienta fenomen… Speciellt eftersom vi föreställer oss en gammastrålning som en våg av energi, men den verkliga signalen är mycket svag. För att maximera sina chanser täcker ECLAIRs ett stort område av himlen: nästan 1/6^e av det observerbara universum kommer in i dess synfält! Med en så täckt yta vet forskarteamen att de redan kan förvänta sig många upptäckter av gammastrålning, i genomsnitt mellan en och två varje vecka! Så många som en av 10 000 stjärnor kommer att sluta sina liv med att kollapsa i sig själva… och potentiellt bli upptäckta genom ECLAIRs. Om det franska instrumentet upptäcker en gammastrålning kommer de andra instrumenten i satelliten att vändas mot den och signalen kommer omedelbart att överföras till marken för ytterligare observationer i olika våglängder, från synliga till radiosignaler.

Minsta reaktionstid

Och eftersom detektionen av gammastrålning måste bearbetas så snabbt som möjligt är många teleskopiska observationsprogram partner. I Frankrike och Kina i synnerhet (det är inte nödvändigtvis en fråga om att använda världens största optik), men även på andra håll. Som en del av ett samarbete kommer ett franskt teleskop (F-GFT) att installeras i Mexiko, och flera enheter kommer att piloteras automatiskt för att svara på varningar från SVOM-uppdraget.

För större teleskop och längre program har teamen till och med satt upp en roll som “burst advokat” med olika europeiska och internationella organ. Bertrand Cordier (CEA) förklarar att uppdraget i alla fall kommer att försöka föra samman astrofysiker från det globala samfundet, eftersom uppgifterna kommer att vara öppen åtkomst (öppna data) och inte reserveras för franska och kinesiska forskare. Det kommer till och med att vara möjligt att samarbeta med rymdteleskop, eftersom efterfrågan på observation av dessa energikällor från de mest kapabla som Hubble eller James Webb är stark… Men allt kommer att bero på de berömda tilldelningarna av “observationstid”, den oförutsägbarheten av gammastrålning gör uppgiften svår. Andra samarbeten med X-band teleskop (som NASA:s helt nya IXPE) kommer att vara möjliga och till och med uppmuntras.

I ögat på kräftdjur

Det andra instrumentet som förbereds i Toulouse (och som kommer att lämna med sin granne) är MXT, för Microchannel X-Ray Telescope. Det är dags att påminna dig om att vi överst i artikeln nämnde hummers ögon. För på det här teleskopet finns ett imponerande och innovativt exempel på djurinspiration… På 1970-talet upptäckte forskare som var intresserade av ögonen på denna gren av kräftdjur att de hade en mycket speciell vision. Till skillnad från människor består deras ögon av hundratals små fyrkantiga rör (en mycket sällsynt geometri i naturen) vars väggar reflekterar inkommande ljus till en punkt av konvergens. Inte särskilt praktiskt för oss, men i en miljö med mycket låg kontrast som vattnets botten, där det handlar om att ha ett brett synfält och upptäcka en rörelse eller en reflektion, är det effektivt. Dessa mikrorör är dock också mycket intressanta för röntgenstrålar (och gamma).

Konventionella röntgenteleskop använder så kallade Wolter-samlare, mille-feuilles av koncentriska cylindriska speglar. Det är effektivt, men det är tungt och oftast väldigt krångligt. Genom att använda “hummerögon”-tekniken med reflekterande mikrorör av rätt längd, har designteamen för MXT-instrumentet (CNES/CEA-Irfu/IJCLab/MPE (München)/University of Leicester) producerat “kakor” 4 cm kvadratiska , var och en innehåller en miljon blyhaltiga glasrör… En verklig mikroskopisk tillverkningsutmaning, replikerad 21 gånger! MXT-uppsamlarenheten, med denna innovativa metod, väger endast 1,6 kg och är bara några centimeter tjock.

Det kommer att vara det första instrumentet i sitt slag att nå omloppsbana, enligt uppdragsforskare, även om det bör noteras att principen med röntgenrör har testats sedan juli 2020 på en liten kinesisk satellit som lämpligen heter Lobster Eye X-Ray Satellit.

Om vi ​​går tillbaka till MXT väger den runt 40 kg och kommer att göra det möjligt att bättre specificera positionen för gammastrålning (med mätningar i “mjuka” röntgenstrålar mellan 0,2 och 10 keV), samtidigt som observationstekniken valideras.

Mellan ECLAIRs gigantiska QR-kod och MXT:s hummerögon finns här två instrument för ett mycket imponerande uppdrag som de franska teamen regisserar tillsammans!