Etude des performances scientifiques et instrumentales du spectrographe à champ intégral (X-IFU) de la mission Athena

Study of the scientific and instrumental performances of ATHENA's X-ray Integral Field Unit

• Auteur / Autrice : Florent Castellani
• Direction : François Pajot, Etienne Pointecouteau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Sciences de l'Espace, Planétologie
• Date : Soutenance le 17/11/2023
• 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-....)
• Jury : Président / Présidente : Geneviève Soucail
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Matthieu Tristram, Aline Meuris
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alessandro Monfardini, Gabriel W. Pratt

Mots clés

Mots clés contrôlés

Galaxies -- Amas

Astronomie des rayons X

Spectrographes

Mots clés libres

Astronomie en X

Instrumentation en X

Amas de galaxies

Athena/X-IFU

Cryogénie

Micro-calorimètres TES

X-ray astronomy

X-ray Instrumentation

Galaxy Clusters

Athena/X-IFU

Cryogenics

TES micro-calorimeters

Résumé

L'Univers chaud et énergétique est au coeur des thématiques de l'astronomie en rayons X. Les observations dans cette bande de longueurs d'onde permettent d'étudier, par exemple, l'émission du gaz chaud contenu dans les groupes et amas de galaxies, celles des disques d'accrétion des trous noirs ou encore celles des explosions d'étoiles. La spectroscopie à haute-résolution en rayons X résolue spatialement permettra de repousser les limites des observatoires actuels avec des images hyperspectrales de ces phénomènes astrophysiques. Le X-ray Integral Field Unit (X-IFU), à bord du futur satellite Athena de l'agence spatiale européenne, sera un spectro-imageur dans la bande d'énergie 0.2 - 12 keV avec une résolution de 2.5 eV jusqu'à 7 keV, grâce à des micro-calorimètres supraconducteurs de type Transition Edge Sensor (TES). Je présente dans cette thèse mon travail sur l'étude des performances scientifiques et instrumentales du X-IFU. Dans une première partie, je décris une étude de faisabilité d'un cas scientifique de la mission : la caractérisation physique des groupes de galaxies distants. A partir d'observations de l'instrument simulées numériquement, j'ai reconstruit les caractéristiques thermodynamiques et chimiques avec une modélisation ajustée par une méthode MCMC. Les caractéristiques retrouvées sont ensuite comparées à celles du système physique d'entrée pour évaluer les capacités de l'instrument. Les résultats montrent que le X-IFU, dans sa configuration actuelle, permet de reconstruire les profils thermodynamiques tridimensionnels d'un groupe de galaxies (M < 10^14 Msoleil) à haut redshift (z = 2) avec un temps d'exposition de 100 ks. Cette étude a montré l'importance de prendre en compte la dispersion des quantités thermodynamiques dans les profils radiaux 3D du groupe de galaxies, qui entraîne une forte dispersion des quantités projetées le long de la ligne de visée. Dans la seconde partie de la thèse, je présente ma participation au développement d'un banc de test cryogénique, développé à l'IRAP avec le CNES, appelé ''banc 50 mK''. Il possède un cryostat permettant d'opérer les détecteurs TES ainsi que leur chaîne électronique complète de détection et de lecture. Une électronique complète, développée à la NASA/GSFC et au NIST, a été installée provisoirement pour évaluer les performances du banc de test. Les éléments de la chaîne de lecture actuelle seront progressivement remplacés par les modèles de démonstration de la chaîne de lecture du X-IFU. Après des travaux de compatibilité électromagnétique, les résultats montrent que le banc 50 mK est prêt à recevoir ces modèles de démonstration pour effectuer une validation fonctionnelle de la chaîne de lecture complète du X-IFU. La troisième partie expose ma contribution dans la validation fonctionnelle du premier prototype de la chaîne de lecture du X-IFU : le module d'adressage des lignes et de synchronisation (RAS). Le succès de l'opération indique que le banc de test cryogénique de l'IRAP est un outil adapté à l'étude des performances de l'électronique de lecture du X-IFU. Il servira, par la suite, à la validation des sources X pour l'étalonnage de l'instrument.

The Hot and Energetic Universe is at the heart of X-ray astronomy. Observations in this spectral band make it possible to study, for example, the emission of hot gas contained in galaxy groups and clusters, that of black hole accretion disks, or that of stellar explosions. Spatially resolved high-resolution X-ray spectroscopy will push back the limits of current observatories with hyperspectral images of these astrophysical phenomena. The X-ray Inte- gral Field Unit (X-IFU), aboard the European Space Agency (ESA) future satellite Athena, will be a spectro-imager in the 0.2 - 12 keV energy band, with resolution from 2.5 eV up to 7 keV, using superconducting micro-calorimeters: Transition Edge Sensor (TES). In this thesis, I present my work on the study of the scientific and instrumental performances of the X-IFU. In the first part, I describe a feasibility study of one of the scientific cases of the mission: the physical characterization of the distant galaxy groups. Using numerically mock observations of the instrument, I have reconstructed the thermodynamic and chemical characteristics using a forward-modeling method fitted with an MCMC. The recovered characteristics are then compared with those of the input physical system to assess the scientific capabilities of the instrument. The results show that the X-IFU, in its current configuration, can reconstruct the three-dimensional thermodynamic profiles of a group of galaxies (M < 10^14 Msun) at high redshift (z = 2) with a 100 ks exposure time. This study showed the importance of taking into account the dispersion of thermodynamic quantities in the 3D radial profiles of the galaxy group, which leads to a strong dispersion of projected quantities along the line-of-sight. In the second part of the thesis, I present my participation in the development of a cryogenic test bench, developed at IRAP with CNES, called the ''50 mK test bench''. It features a cryostat for operating TES detectors and their complete electronic detection and readout chain. A complete chain, developed at NASA/GSFC and NIST, has been temporarily in- stalled to evaluate the performance of the test bench. The elements of the current readout chain will be progressively replaced by demonstration models of the X-IFU readout chain. After electromagnetic compatibility progress, the results show that the 50 mK test bench is ready to receive these demonstration models for functional validation of the complete X-IFU reading chain. The third section describes my contribution of the functional validation of the X-IFU readout chain's first prototype: the row addressing and synchronization (RAS) module. The success of this operation shows that IRAP's cryogenic test bench is a suitable tool for studying the performance of the readout chain of the X-IFU. It will subsequently be used to validate the X-ray sources used to calibrate the instrument.