Le projet COMCUBE-S a franchi avec succès une étape clé : la phase d’étude de faisabilité dite phase A. Cette étape validée par l’ESA confirme la viabilité scientifique et technique de la mission qui peut maintenant lancer le prototypage. Portée par une collaboration européenne entre le CEA, le CNRS, le Royal Institute of Technology (Suède) et l’University College of Dublin (Irlande), le projet consiste à déployer en 2035 une constellation de 27 nanosatellites couvrant tout l’équateur terrestre. La grande nouveauté de ce projet est que chaque satellite identique sera équipé d’un spectro-polarimètre gamma rapide et très performant, malgré sa petite taille, qui pourrait révolutionner notre compréhension des sursauts gamma et de l’Univers lointain.
L’astronomie multi-messagers et multi-longueurs d’onde nécessite une surveillance en continu du ciel dans le domaine des rayons gamma pour détecter et localiser rapidement les sursauts gamma produits lors de la collision d’astres compacts ou l’implosion d’une étoile supermassive. Ces sursauts extrêmement courts, allant de quelques dizaines de millisecondes à plusieurs centaines de secondes restent très mystérieux. Le projet COMCUBE-S vise à apporter une nouvelle compréhension de ces sursauts gamma et fournir un diagnostic inédit de la physique des jets produits dans les sursauts, ainsi que de la nature de leur progéniteur astrophysique.
Pour faire cela, 27 nanosatellites seront déployés tout autour de la Terre, en orbite à 500 km, pour détecter les sursauts gamma et mesurer leurs propriétés spectrales, temporelles et polarimétriques, une étude qui n’a actuellement été réalisée que pour une poignée de sursauts très brillants. De plus, l’observation du même sursaut par plusieurs satellites de la constellation permettra de déterminer la position dans le ciel du sursaut gamma par triangulation et de fournir une notification rapide au sol, déclenchant ainsi des observations de suivi de la source par d’autres télescopes au sol.
Les observations des galaxies hôtes des sursauts gamma, faites dans le cadre de la mission SVOM par exemple, ont confirmé que ces événements extraordinaires peuvent se produire à des distances cosmologiques. Du fait de leur intensité extrême dans un temps court, ils peuvent être détectés dans les galaxies les plus anciennes. Les sursauts gamma sont ainsi en passe de devenir ainsi les nouvelles chandelles standard pour étudier la structure et l’évolution de l’Univers. Il est donc fondamental de comprendre les phénomènes physiques produisant cet intense faisceau lumineux de haute énergie.
C’est grâce à la mesure de la polarisation de la lumière gamma émise que nous pourrons mieux interpréter ces phénomènes en ajoutant une information complémentaire aux signatures spectrales et temporelles. La présence d’un fort champ magnétique ordonné dans le jet du sursaut, par exemple, produit un flux de photons gamma, par effet synchrotron, dont le spectre est proche de celui produit par d’autres phénomènes (comme l’effet Compton inverse), mais qui possède une signature polarimétrique très particulière que seul COMCUBE-S pourra déchiffrer !
Comcube-S : un essaim de 27 nanosatellites identiques
La charge utile de chaque nanosatellite COMCUBE-S est constituée :
- D’un spectro-polarimètre
- D’un spectromètre haute énergie
- D’une unité de contrôle
Le spectro-polarimètre sera constitué de 4 quads identiques, et mesurera la polarisation entre 100 keV et 460 keV couvrant la majorité des sursauts observés. Il fera aussi des spectres dans la gamme de 30 keV à 2 MeV, similaire à celle de SVOM. Chaque quad est composé de deux couches de DSSD (détecteur strippé silicium double face) facilitant la diffusion Compton (en savoir plus sur le principe de la polarisation Compton), et de deux scintillateurs, un en CeBr3 sur le côté et un autre en GAGG au-dessous, qui absorberont les photons diffusés (voir figure 2).
Le CEA-IRFU/DAp est responsable de l’étude système et de l’architecture électrique de la charge utile de COMCUBE-S, en collaboration avec nos collègues d’IJCLab, de KTH et de l’UCD, ainsi que de la détermination de l’environnement radiatif des nanosatellites. L’objectif est d’étudier l’ensemble du satellite en regardant les performances des différents détecteurs en fonction de facteurs extérieurs (température, radiation, pression…), leurs influences respectives et les contraintes spatiales telles l’encombrement et la puissance nécessaire pour son fonctionnement.
Notre équipe doit aussi concevoir, réaliser, calibrer et livrer le détecteur de la face supérieure du polarimètre et sa chaine de lecture, constitué d’un DSSD réalisé par la société Micron Semiconductor Ltd et lu par les ASICs bas bruit et qualifiés spatial IDeF-X HDBD développés à l’IRFU (voir figure 3). Nous contribuons aussi à l’unité de contrôle en fournissant l’ensemble des alimentations bas bruit de l’instrument.
Un banc d’essai dédié est actuellement en développement au département d’Astrophysique où le détecteur sera illuminé par une source radioactive ; le signal produit par le DSSD suite à la détection d’un photon gamma de cette source passera à travers toute la chaine de lecture pour être numérisé. On caractérisera ainsi le DSSD en mesurant sa réponse à différentes énergies, le tout à différentes températures de -20°C à 20°C, représentatives de ce que subira le satellite en tournant autour de la Terre (voir figure 3).
Et maintenant ?
Le calendrier de développement de la mission, supervisée et financée par l’Agence Spatiale Européenne (ESA), comprend le lancement de deux nanosats d’ici 2030 pour effectuer une démonstration en orbite (IOD) des technologies utilisées dans COMCUBE-S.
Suite au succès de la première étape (Phase A) de ce processus, après une revue complète par l’ESA des objectifs scientifiques et de la conception du nanosatellite et de son spectro-polarimètre, les équipes entament la Phase B, une phase qui durera un an où un premier prototype de l’instrument sera construit afin de démontrer ses performances.
Point de contact : P. Laurent
Contributeurs Irfu au projet : D. Baudin, C. Boreux, A. Claret, E. Doumayrou, A. Meuris, A. Poitaya, D. Renaud
