ou IXPE est un petit télescope spatial à rayons X mous (3-) de la NASA ayant pour objectif d'étudier la polarisation du rayonnement X émis par les trous noirs, les magnétars, les pulsars, les étoiles à neutrons et les rémanents de supernova afin de mieux comprendre les processus physiques sous-jacents. Ce petit engin spatial d'une masse de fait partie du programme Explorer de l'agence spatiale américaine, la NASA qui regroupe des missions scientifiques à faible cout. Il a été développé pour un cout de de dollars en collaboration avec l'Agence spatiale italienne. IXPE est placé sur une orbite équatoriale le par un lanceur réutilisable. La mission a une durée minimale de deux ans.

Contexte La polarisation de la lumière et ses applications en astronomie

Une des caractéristiques des ondes électromagnétiques (lumière visible, rayons X) est leur polarisation. La polarisation est l'orientation de la vibration des ondes. Les ondes électromagnétiques émises par une étoile sont généralement non polarisées, c'est-à-dire que la direction selon laquelle l'onde lumineuse oscille est quelconque. Toutefois, sous l'influence par exemple d'un champ magnétique très puissant, le rayonnement électromagnétique émis peut être polarisé c'est-à-dire présenter une orientation privilégiée. Les rayons X fournissent des informations sur les phénomènes les plus violents de l'univers : trous noirs, les magnétars, les pulsars, les étoiles à neutrons . L'étude de la polarisationCette technique d'observation est la polarimétrie du rayonnement X de ces sources permet de connaitre la structure des champs magnétiques des régions dans lesquelles le rayonnement est émis; Dans le cas de sources étendues comme les rémanents de supernova la polarisation permet de discriminer les différents objets astronomiques qui se trouvent dans cette zone. Les caractéristiques de cette polarisation permettent d'approfondir notre connaissance sur les processus à l’œuvre dans ces objets.

La polarimétrie des émissions de rayons X : un domaine inexploré

L'observation du rayonnement X et donc de sa polarisation ne peut se faire que depuis l'espace car l'atmosphère intercepte les photons émis dans ces longueurs d'onde. La mesure de la polarisation du rayonnement X astronomique est un domaine quasiment inexploré. Bien que la polarisation asymétrique des émissions X ait été découverte dès les débuts de l'astronomie en rayons X, soit il y a une cinquantaine d'années, seules deux mesures significatives ont été effectuées jusque là dans les années 1970 avec des polarimètres Bragg non imageurs à bande étroite. Ces mesures portaient sur la nébuleuse du Crabe et l'étoile à neutrons Sco X-1. Aucun polarimètre à n'a par la suite été embarqué à bord de télescopes spatiaux. Or depuis ces premières observations la sensibilité des polarimètres à a été augmentée de deux ordres de grandeurs (x 100) et la technologie des miroirs utilisés par les télescopes à a fortement progressé.

Historique du projet IXPE vignette|Logo de la mission IXPE. vignette|IXPE en position repliée peu avant son lancement.

La mission IXPE est sélectionnée début 2016 par l'agence spatiale américaine, la NASA, dans le cadre de son programme scientifique Explorer qui regroupe des missions scientifiques à faible coutLe télescope spatial XIPE (X-ray Imaging Polarimetry Explorer), aux caractéristiques similaires, est proposé en 2015 pour la sélection de la mission moyenne M4 du programme Cosmic Vision de l'Agence spatiale européenne. Mais un télescope conçu pour caractériser les exoplanètes baptisé ARIEL, lui est préféré en 2018.. propositions avaient été soumises et l'agence spatiale avait choisi trois finalistes : PRAXyS () un projet de télescope spatial aux caractéristiques identiques et SPHEREx un petit télescope spatial devant effectuer un relevé astronomique des sources infrarouges de l'ensemble du ciel. IXPE est une mission de type SMEX dotée selon le barème associée à cette catégorie d'un budget de de dollars américains lancement compris. Le projet est piloté par le centre de vol spatial Marshall. La société Ball Aerospace & Technologies installée à Broomfield (Colorado) est choisie par la NASA pour construire l'engin spatial. L'Agence spatiale italienne apporte une contribution significative en fournissant les détecteurs à polarimètres des télescopes résultant d'une percée technologique remarquable qui fait l'originalité de la mission. L'Italie met également à disposition sa station de Malindi au Kenya pour la collecte des données scientifiques.

IXPE devait être initialement placée en orbite par le lanceur aéroporté Pegasus-XL mais en raison de contraintes budgétaires la NASA choisit le lanceur de SpaceX dans sa version partiellement réutilisable qui est commercialisé à un coût de de dollars (avec les services associés) nettement inférieur à celui de la fusée Pegasus tout ayant la capacité de placer le satellite sur une orbite supérieure ( au lieu de ) plus favorable pour remplir les objectifs de la mission. La date de lancement qui avait été fixée en 2020 est repoussée à deux reprises notamment à la suite de l'épidémie de Covid.

Objectifs de la mission

IXPE présente la particularité de disposer dans le plan focal, en plus d'un capteur CCD classique fournissant une image dans le rayonnement X, d'un détecteur qui mesure la polarisation du rayonnement émis. Ce type de détecteur, mis au point par des équipes italiennes, est absent des télescopes à rayons X récents. Il doit permettre de mieux comprendre la structure des objets émettant le rayonnement X.

Les principaux objectifs de la mission sont : Améliorer notre compréhension des processus physiques produisant des rayons X à proximité des objets compacts comme les étoiles à neutrons et les trous noirs. Étudier la physique associée aux effets de la gravité, de l'énergie, des champs magnétiques aux grandeurs extrêmes.

IXPE doit contribuer à répondre aux questions suivantes de l'astrophysique des hautes énergies : Qu'est ce que la vitesse de rotation d'un trou noir ? Quelle est la géométrie et l'intensité du champ magnétique dans un magnétar ? Est ce que notre centre galactique dans un passé récent a été une galaxie active ? Quelle est la structure du champ magnétique dans les sources synchrotron de rayons X ? Quelles sont les géométries et les origines des rayons X émis par les pulsars ?

Caractéristiques techniques

Plateforme (bus)

IXPE est un petit engin spatial d'environ dont pour la charge utile qui dans sa configuration de lancement occupe un volume de de haut pour un diamètre de . La partie optique est fixée au sommet d'un mât qui est déployé une fois l'engin spatial dans l'espace. Le télescope spatial atteint alors une hauteur de . Les panneaux solaires, également déployés en orbite, portent son envergure à . IXPE met en œuvre la plate-forme BCP-300 () de la société Ball Aerospace qui a déjà été utilisée à trois reprises pour des satellites expérimentaux de l'Armée de l'Air américaine de la série Space Test Program (STP). Le corps de l'engin spatial est une structure hexagonale constituée de plaques d'aluminium coiffée par un plateau en nid d'abeilles réalisé dans le même matériau. Cette plateforme est stabilisée sur trois axes à l'aide de roues de réaction et de magnéto-coupleurs. La détermination de l'orientation est effectuée à l'aide d'une paire de viseurs d'étoiles complétée par 12 capteurs solaires et un magnétomètre. Un récepteur GPS est utilisé pour associer une étiquette temporelle aux observations et déterminer les éphémérides de l'engin spatial. IXPE ne dispose d'aucun système de propulsion. Les panneaux solaires fournissent en moyenne dont sont utilisés par la charge utile. Le système de contrôle thermique est à la fois passif et actif : il utilise des résistances chauffantes pour maintenir la plateforme et les miroirs dans une plage étroite de températures d'environ (± ). De manière plus générale ce système maintient une température stable tout au long de l'orbite et au gré des saisons afin de réduire les déformations affectant la géométrie de l'ensemble optique qui seraient induites par des variations de température. Toutes les télécommunications se font en à l'aide d'antennes omnidirectionnelles. L'ordinateur embarqué utilise un microprocesseur durci de type RAD750. IXPE dispose d'une mémoire de masse pouvant stocker de données.

thumb|centre|800px|Vue d'artiste du télescope spatial de la NASA IXPE.

Optique

La charge utile de IXPE est constituée par trois télescopes à dont la partie optique est de type Wolter I qui collectent et focalisent le rayonnement X en le dirigeant vers les détecteurs installés sur la plateforme (bus). Chacune des optiques est constituée de concentriques en alliage nickel/cobalt d'une longueur de et dont le diamètre est compris entre 16,2 et . Chacune des optiques a une surface effective de à et supérieure à à 3-. Les optiques dites MMA (Mirror Module Assemblies) sont réalisées par le centre Marshall avec la participation de l'Agence spatiale italienne et de l'Université de Nagoya (Japon). Les MMA ont des caractéristiques proches de celles de l'observatoire russe Spektr-RG qui ont été conçues par le centre Marshall avec l'aide de l'agence italienne. Ces optiques sont montées sur une structure (MMSS pour Metallic Mirror Module Support Structure) qui est fixée à l'extrémité d'un mat en treillis qui est déployé en orbite. Des mécanismes TTR (Tip/Tilt/Rotation) permettent d'ajuster au moment du déploiement du mat la position de l'optique par rapport aux détecteurs dans les trois dimensions pour corriger les écarts de géométrie. Les optiques sont flanquées de réflecteurs qui bloquent le rayonnement X qui ne passerait pas par les optiques et pourraient venir frapper les détecteurs. Trois bipieds solidarisent la tête optique MMSS et la plateforme pour lui permettre de résister aux forces générées durant le lancement.

Détecteurs

Ce qui fait la spécificité de IXPE est l'emport de détecteurs de polarisation plus performants que la dernière génération de détecteurs de ce type qui équipait son prédécesseur, l'observatoire spatial OSO-8 lancé en 1975. Ces capteurs GPD (), aboutissement de travaux de la filiale italienne d'OHB sur une période de , utilisent l'effet photoélectrique pour déterminer la direction de la polarisation des collectés. Ceux-ci pénètrent dans une chambre de faible hauteur remplie d'un gaz (l'éther diméthylique) caractérisé par une faible masse atomique choisi pour limiter la diffusion de la trace laissée par l'ionisation. Le photon du incident déclenche l'ionisation du gaz qui se traduit par l'émission d'électrons qui sont éjectés dans une direction dépendant de la polarisation du . Les électrons générés sont multipliés par environ 500 par un dispositif de multiplication de charge GEM () pour augmenter le rapport signal sur bruit. Le résultat est enregistré par un détecteur de type ASIC reposant sur une puce électronique de technologie CMOS. Ce détecteur comprend une matrice de pixels hexagonaux de de côté qui ont chacun un dispositif de lecture. Les données collectées permettent de reconstruire la position initiale du photoélectron produit par la collision du photon X avec les atomes du gaz, sa direction et la fin de la trace qu'il a générée. Toutes ces informations permettent de déduire la localisation de la source dans le ciel et la polarisation du rayonnement.

Performances Le pouvoir de résolution est inférieur à 25 secondes d'arc et le champ de vue est de 12,9 minutes d'arc

Déroulement de la mission

Lancement