Mission innovante X-Ray Lobster-Eye d’Einstein Probe prête à décoller

Patrick Lesggie

Lancement de la sonde Einstein Programme pour janvier 2024. L’Einstein Programme vise à surveiller le ciel à la recherche d’émissions de rayons X provenant d’objets célestes tels que les étoiles à neutrons et les trous noirs. Crédit : Académie chinoise des sciences

La sonde Einstein Programme, fruit d’une collaboration entre l’ASC, l’ESA et le MPE, sera lancée en 2024 et utilisera une technologie avancée de rayons X pour étudier les phénomènes célestes, contribuant ainsi de manière significative à notre compréhension de la physique à haute énergie de l’univers.

Le vaisseau spatial de l’Académie chinoise des sciences, l’Einstein Programme, est prêt à être lancé en janvier 2024. Équipée d’une nouvelle génération d’instruments de rayons X très sensibles et offrant un large champ de vision, cette mission survolera le ciel à la recherche de puissantes rafales de lumière de rayons X provenant d’objets célestes mystérieux tels que les étoiles à neutrons et les trous noirs.

Le Programme Einstein est une collaboration dirigée par l’ASC avec l’Agence spatiale européenne (ESA) et l’Institut Max Planck de physique extraterrestre (MPE), en Allemagne.

En échange de sa contribution au développement de cette mission et de la définition de ses objectifs scientifiques, l’ESA aura accès à 10 % des données générées par les observations de la sonde Einstein Programme.

« Grâce à sa conception innovante, la sonde Einstein Programme peut surveiller de vastes étendues du ciel en un seul coup d’œil. De cette manière, nous pouvons découvrir de nombreuses nouvelles sources tout en étudiant le comportement de la lumière des rayons X provenant d’objets célestes connus sur de longues périodes », déclare Erik Kuulkers, scientifique du projet Einstein Programme de l’ESA. « Le cosmos est notre seul laboratoire pour étudier les processus les plus énergétiques. Des missions comme Einstein Programme sont essentielles pour faire progresser notre compréhension de ces processus et en apprendre davantage sur les aspects fondamentaux de la physique à haute énergie. »

La sonde Einstein Programme étudiera l’univers en lumière de rayons X. Équipée d’une nouvelle génération d’instruments de rayons X très sensibles et offrant un large champ de vision, cette mission survolera le ciel à la recherche de puissantes rafales de lumière de rayons X provenant d’objets célestes mystérieux tels que les étoiles à neutrons et les trous noirs. Crédit : ESA

Garder un œil attentif sur le ciel aux rayons X

Contrairement aux étoiles qui parsèment notre ciel la nuit et marquent de manière fiable les constellations, la plupart des objets cosmiques qui brillent en rayons X sont très variables. Ils brillent en continu et s’éteignent, et dans de nombreux cas, ils apparaissent brièvement avant de disparaître pendant de longues périodes (on les appelle alors transitoires) ou définitivement.

Alimentée par des événements cosmiques tumultueux, la lumière des rayons X provenant des sources astronomiques est très imprévisible. Pourtant, elle renferme des informations fondamentales sur certains des objets et phénomènes les plus énigmatiques de notre univers. Les rayons X sont associés aux collisions entre étoiles à neutrons, aux explosions de supernovae, à la matière tombant sur les trous noirs ou les étoiles hyper-denses, ou aux particules de haute énergie éjectées des disques de matière incandescente entourant de tels objets exotiques et mystérieux.

La sonde Einstein Programme améliorera notre compréhension de ces événements cosmiques en découvrant de nouvelles sources et en surveillant la variabilité des objets brillant en rayons X partout dans le ciel.

La capacité de repérer régulièrement de nouvelles sources de rayons X est fondamentale pour faire progresser notre compréhension de l’origine des ondes gravitationnelles. Lorsque deux objets massifs hyper-denses tels que deux étoiles à neutrons ou deux trous noirs entrent en collision, ils créent des ondes dans la trame de l’espace-temps qui voyagent sur des distances cosmiques et nous atteignent. Plusieurs détecteurs sur Terre sont désormais capables d’enregistrer ce signal, mais ils ne peuvent souvent pas localiser la source. Si des étoiles à neutrons sont impliquées, une telle « collision cosmique » est accompagnée d’une énorme explosion d’énergie à travers le spectre lumineux, et en particulier dans les rayons X. En permettant aux scientifiques d’étudier rapidement ces événements de courte durée, la sonde Einstein Programme nous aidera à identifier l’origine de nombreuses impulsions d’ondes gravitationnelles qui sont observées sur Terre.

Dans cette photo, de novembre 2023, une équipe d’ingénieurs de l’Académie chinoise des sciences (CAS) termine la construction du vaisseau spatial de la sonde Einstein Programme au centre de lancement de satellites de Xichang, dans le sud-ouest de la Chine. À ce stade, les panneaux solaires ont été montés sur deux côtés opposés de la structure du module de service. Le vaisseau spatial terminé de la sonde Einstein Programme mesure environ 3 m de large et 3,4 m de haut, et pèse environ 1450 kg. Crédit : Académie chinoise des sciences

Yeux de homard dans l’espace

Pour atteindre tous ses objectifs scientifiques, le vaisseau spatial de la sonde Einstein Programme est équipé d’une nouvelle génération d’instruments très sensibles et capables d’observer de vastes zones du ciel : le télescope Wide-field X-ray (WXT) et le télescope Follow-up X-ray (FXT).

Le WXT a une conception modulaire optique qui imite les yeux d’un homard et utilise la technologie innovante des optiques à micro-pores. Cela permet à l’instrument d’observer 3600 degrés carrés (près d’un dixième de la sphère céleste) en un seul coup d’œil. Grâce à cette capacité unique, la sonde Einstein Programme peut garder un œil attentif sur presque l’ensemble du ciel nocturne en trois orbites autour de la Terre (chaque orbite durant 96 minutes).

Cette image montre une vue microscopique des yeux de homard. Les yeux de homard sont composés de pores carrés microscopiques parallèles disposés sur une sphère qui réfléchissent la lumière vers un centre sphérique. Inspirés par les yeux des homards, les astronomes ont commencé à développer des télescopes utilisant des optiques similaires. Ces télescopes utilisent des tubes carrés qui dirigent la lumière vers des détecteurs. Ce type d’optique est utilisé dans de nouveaux télescopes tels que la sonde Einstein Programme et SMILE. Crédit : J. Camp

Les nouvelles sources de rayons X ou d’autres événements intéressants repérés par WXT sont ensuite ciblés et étudiés en détail avec le FXT, plus sensible. De manière cruciale, le vaisseau spatial transmettra également un signal d’alerte au sol pour déclencher d’autres télescopes sur Terre et dans l’espace fonctionnant à d’autres longueurs d’onde (du radio aux rayons gamma). Ils pointeront rapidement vers la nouvelle source pour collecter de précieuses données multi-longueurs d’onde, facilitant ainsi une étude plus approfondie de l’événement.

Contribution européenne

L’ESA a joué un rôle important dans le développement des instruments scientifiques de la sonde Einstein Programme. Elle a apporté son soutien pour les tests et l’étalonnage des détecteurs de rayons X et des optiques du WXT. L’ESA a développé l’assemblage de miroirs de l’un des télescopes du FXT en collaboration avec le MPE et Media Lario (Italie).

Dans cette photo, prise en mai 2023, une équipe d’ingénieurs de l’Institut de physique des hautes énergies de l’Académie chinoise des sciences (CAS) finalise la construction du télescope Follow-up X-ray (FXT) pour la mission de la sonde Einstein Programme. Comme le montre l’image, le FXT se compose de deux télescopes à rayons X. Les optiques de chaque unité suivent une conception classique de Wolter-I avec un assemblage de miroirs basé sur la technologie initialement développée pour la mission XMM-Newton de l’ESA. Crédit : Académie chinoise des sciences

L’assemblage de miroirs du FXT est basé sur la conception et la technologie de la mission XMM-Newton de l’ESA et du télescope à rayons X eROSITA. Le MPE a contribué à l’assemblage de miroirs pour l’autre télescope du FXT et développé les modules détecteurs pour les deux unités du FXT. L’ESA a également fourni le système pour dévier les électrons indésirables loin des détecteurs (le diviseur d’électrons).

Tout au long de la mission, les stations terriennes de l’ESA seront utilisées pour aider au téléchargement des données du vaisseau spatial.

La flotte de missions de haute énergie de l’ESA

L’ESA a une longue histoire dans l’avancement de l’astronomie à haute énergie. XMM-Newton et Integral scrutent l’univers en rayons X et en rayons gamma depuis plus de deux décennies, ce qui a permis de grands progrès dans ce domaine. L’ESA participe également à la mission de télédétection et de spectroscopie par rayons X (XRISM), dirigée par l’Agence d’exploration aérospatiale japonaise (JAXA) en collaboration avec la NASA, qui a été lancée à l’été 2023.

« Les capacités de la sonde Einstein Programme sont très complémentaires aux études approfondies des sources cosmiques individuelles permises par les autres missions », remarque Erik. « Ce surveillant des rayons X est également le précurseur idéal de la future mission New Athena de l’ESA, actuellement à l’étude et qui s’annonce comme le plus grand observatoire de rayons X jamais construit. »