De l'astrophysique des amas de galaxies à la physique des microcalorimètres en rayons X : performances scientifiques et calibration du X-ray integral field unit de la mission Athena

From the astrophysics of clusters of galaxies to the physics of X-ray micro-calorimeters : scientific performances and calibration of the X-ray Integral Field Unit instrument on board the Athena mission

• Auteur / Autrice : Edoardo Cucchetti
• Direction : François Pajot, Etienne Pointecouteau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Sciences de l'Espace, Planétologie
• Date : Soutenance le 01/10/2019
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en astrophysique et planétologie (Toulouse ; 2011-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cryotechnique

Astronomie des rayons X

Galaxies -- Amas

Mots clés libres

Amas de galaxies

Astronomie rayons X

Calibration

Détection cryogénique

Études de faisabilité

Performances instrumentales

Simulations end-to-end

X-IFU

Calibration

Clusters of galaxies

Cryogenic detection

End-to-end simulations

Feasibility studies

Instrumental performance

X-ray astronomy

X-IFU

Résumé

Des découvertes inédites dans le domaine de l'astronomie en rayons X nécessitent une nouvelle génération d'instruments, pouvant observer le ciel en combinant des hautes résolutions spatiales et spectrales. Ce besoin constitue le fondement du X-ray Integral Field Unit (X-IFU) de la mission Athena de l'ESA, dont le lancement est prévu en 2031. La complexité de la chaîne de détection du X-IFU nécessite un suivi de ses perturbations instrumentales. Des simulations bout-à-bout, reproduisant les observations en rayons X de l'émission des photons d'une source représentative à leur détection, sont un outil de choix pour ces études. Dans la première partie de cette thèse, j'utilise ces simulateurs pour quantifier l'effet de la diaphonie entre les pixels, pour dériver une spécification sur la connaissance du bruit de fond instrumental, ou encore pour estimer la sensibilité spectrale de l'instrument. Mes résultats confirment que le X-IFU atteindra ses exigences en taux de comptage pour des sources étendues brillantes. Ils démontrent aussi qu'une bonne connaissance des raies spectrales, ainsi que du niveau bruit de fond instrumental (à mieux que 2%) est indispensable pour éviter des erreurs systématiques dans le traitement des données. L'analyse des performances doit cependant être couplée à des études de faisabilité des objectifs scientifiques du X-IFU. Cela concerne particulièrement les observations de sources étendues, qui feront appel à tout le potentiel de l'instrument. La deuxième partie de ce travail analyse les capacités du X-IFU à caractériser les propriétés physiques et chimiques du milieu intra-amas, ainsi que sa turbulence. Pour obtenir des simulations représentatives, des modèles ou d'autres simulations numériques sont utilisés comme point de départ de ces études. Mes résultats montrent la puissance du X-IFU à mesurer les propriétés des amas de galaxies, même à haut redshift (z ~ 2) et sur des temps d'exposition de 100ks. Je présente également une nouvelle façon d'aborder les biais sur les diagnostics spectraux. Elle permettra d'optimiser les observations de la turbulence dans les amas. Enfin, pour remplir ses objectifs scientifiques, le X-IFU nécessitera une calibration très précise. La troisième partie de cette thèse aborde différents points de la calibration du X-IFU, notamment la connaissance de son échelle de gain, de son efficacité quantique et de son bruit de fond instrumental. Je démontre que de nouvelles méthodes de correction de gain et de surveillance du niveau de bruit de fond instrumental sont nécessaires pour vérifier les spécifications attendues. Ces résultats permettent d'optimiser l'architecture de l'instrument (par ex., sources modulées de rayons X, stratégies de corrections) et de mieux préparer ses phases de calibration au sol et en vol. Les études de calibration se feront aussi et surtout par des essais en conditions représentatives, comme dans le banc cryogénique développé et caractérisé à l'IRAP au cours de ma thèse.

Future breakthroughs in X-ray astronomy require a new generation of X-ray instruments, capable of observing the sky with high spectral and spatial resolutions combined. This need drives the development of the X-ray Integral Field Unit (X-IFU) onboard the future European X-ray observatory Athena scheduled for a launch in 2031. The complexity of the X-IFU and of its readout chain calls for a close monitoring of its instrumental effects. This can be investigated using dedicated end-to-end simulators, which reproduce an X-ray observation, from the emission of X-rays by an astrophysical source to their detection. In the first part of this thesis, I use this approach to quantify the impact of crosstalk between pixels, to derive the requirement on the reproducibility of the instrumental background, and to estimate the line sensitivity of the instrument. I demonstrate that the X-IFU will be capable of observing bright, extended sources with a required high-resolution throughput above 80%. I also show that an accurate knowledge of the spectral lines (their energy and their profile), as well as of the non-X-ray background level (to better than 2%) are needed to minimise systematic errors in the observation. Analysis of the instrumental effects need to be coupled with feasibility studies of the core science objectives of the X-IFU to verify the potential of the instrument. This is valid in particular for extended sources, which will use this integral field unit at its full capabilities. In the second part of this work, I investigate the ability of the X-IFU to characterise the properties of the intra-cluster medium and its turbulent motions. To guarantee a representative result, both toy models and hydrodynamical simulations of clusters are used as inputs of end-to-end simulations. My results underline the strengths of the X-IFU, which will provide an accurate view of the physics and the chemical enrichment of clusters, even at high redshift (z ~ 2) with typical 100ks exposure. I also put forward an analytical way to estimate the systematic errors on line diagnostics in turbulence-related studies, which will be of particular interest to optimise future observations. To fulfil its science objectives, the X-IFU will require a careful calibration. The third part of this thesis presents studies on this topic related to the energy scale, the instrumental background, or the quantum efficiency. I demonstrate that new methods of gain drift correction and background monitoring are required to meet the expected requirements. These results provide constraints on the design of the instrument (e.g., modulated X-ray sources, correction strategies) and can be used to plan ground or in-flight calibration activities. Calibration studies will also be performed experimentally, notably using the test bench developed and characterised at IRAP during my thesis.