Démonstrateur d’un réseau de nanosatellites pour la ... - 20190207...Un objectif scientifique...

Démonstrateurd’unréseaudenanosatellites

pourlasurveillanceducieltransitoire

enrayonsX-durs:leprojet3UTransat

J.-L.Atteia,pourlesproposants

Unobjectifscientifiquemajeur• L’année2017avulanaissancedel’Astronomiemulti-messagers,quipermetd’observerlesphénomènesviolentsdel’universsimultanémentenondesgravitationnellesetdansledomaineélectromagnétique.

• Lesenjeuxdecettethématiquesontmajeurs:• Etudedespopulationsd’astrescompactsetdesprocessusdeformation:

• Recensementdespopulationsdetrousnoirs.• Croissancedestrousnoirs.

• Physiquedessourcesd’ondesgravitationnelles:• Décalageentrelesondesgravitationnellesetlesphotons.• Fractiondel’énergietransféréeauxphotons.• Géométriedessources.

• Impactdestrousnoirssurlaformationdesgalaxiesetlacosmologie.

• L’Astronomiegravitationnelleadesconnexionsfortesavecl’AstronomiedesHautesEnergiedontlessourcessontétudiéesdepuisdesdizainesd’années,etdontl’IRAPaunelongueexpertise.

• Lesinterféromètresgravitationnelspermettentunesurveillancedetoutlecielencontinu.Ilestdoncnécessairededisposerd’outilséquivalentspourlasurveillanceducielXetgamma.

07/02/2019 JournéesGAHEC 2

Uneconstellationdenanosatellites• DansledomainedesRXdursonassisteàuneséparationentredesinstrumentstrèssensibles(e.g.Swift/BAT)quisurveillent≈10%

ducieletdesinstruments« all-sky »moinssensibles(e.g.Fermi/GBM).

• Uneconstellationdenanosatellitesestidéalepourremplirlesecondobjectif:• Lesnanosatellitesoffrentdesavantagesdécisifsentermesdebudget,deflexibilitéetdemodularité.• Ilsoffrentdespossibilitésaccruesdecoopérationcarilssontàlaportéed’unplusgrandnombredepays.• Chaquesatellitepeutembarqueruninstrumentdesurface≈100cm2,équivalenteàcelled’undétecteurGBMdeFermi (=126 cm2).Fermi

détecte≈230GRB/anavec12détecteurs.• Objectif:obtenirdeslocalisationsavecuneprécisioncomparableàcellefournieparlesI/FpourlesGWs (quelquesdegrés):lestélescopesau

solquirecherchentlescontrepartiesdessourcestransitoiresdeGWs serontainsiadaptésàcelledescontrepartiesdestransitoiresHEdétectéesparlaconstellationdenanosats.

• Aconditiondechangercertainsparadigmes…• Développerdesinstrumentssimplesetperformantsadaptésauxnanosatellites.• Démontrerlafaisabilité,lafiabilitéetlesperformancesdenanosatellitesréalisésdansdestempscourts.• Changernotrefaçonded’analyserlesdonnées:laconstellationcommeunsystèmeunique!

• Plusieurspropositionssontdéjààl’étudepourlessursautsgammaetlesTGFs (« Terrestrial Gamma-rayFlashes »):• GRBCube (USA),BlackCAT (USA),Camelot(Japon,Hongrie),HERMES(Italie)…

• Noussouhaitonsêtreenmesuredeproposeruneconstellationdenanosatellitesdesannéesàvenir,enfonctiondel’évolution ducontexteobservationnel.CeprojetaétéproposéàlaprospectiveCNES2019.

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Undémonstrateur• Noussouhaitonsvaliderplusieurspointsclésdelaréalisationd’uneconstellationdenanosatellites,c’estleprojet3UTransat (3U

cosmic TRANsient SATellite):• Lesperformancesd’uninstrumentsurunnanosatellite3U(ou4U),eninter-calibrantaveclesobservationsdeFermi/GBMetSwift/BAT

(sensibilité,impactdelaréflexionsurl’atmosphère).• Lesperformancesdesnanosatellitesentermesde:masseembarquée,puissance,télémesure,datation,puissancedecalcul,positionnement,

stabilitéthermique,fiabilité,stabilitédepointage.• Notrecapacitéàtraiterrapidement(≈1heure)lesobservationsausolpourenvoyerdesalertes.• Pourcelanoussouhaitonslancerdeux(aumoins)nanosatellitesen2022.Ainsi,ilsfonctionnerontenmêmetempsquelesinterféromètres

LIGOetVirgo etqueSVOM,Swift etFermi.

• Unprincipe:lesnanosatellitesdoiventêtredesentitéstrèssimples.• Ladétectionetlalocalisationdessourcessefontausolencombinantlesinformationsdetouslessatellites.• Toutelasurfaceexposéeausursautestutiliséepourladétection.

• Agendaprévisionnel(etnéanmoinsoptimiste!):• 2019:Etudesetconceptionpréliminaire.• 2020-2021:Conceptiondétailléeetréalisation.• 2022:Lancement.

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Enjeuxduprojetproposé• Apprentissageaumondedesnanosatellitespourlesch/ITAetétudiantsdel’IRAP.

• Appréhenderlespossibilitésscientifiquesd’unemissionnanosat (Science/€?)• Formationdesétudiantsetdesingénieurs.• Nouvellephilosophiededéveloppementetdeprisederisque.

• Réalisationd’unprojetsimpledansuntempscourtavecunbudgetréduit(« simpler-faster-cheaper »J ).

• Testerl’assemblageScintillateur+SiPM dansl’espace.

• Etreacteurd’unepossiblefutureconstellationeuropéenneenaccompagnementdesexpériencesdedétectiond’ondesgravitationnellesoudesgrandesmissionsspatiales(Athena,LISA).

• LeprojetaétésoumisàlaprospectiveCNES2019.

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Undomaine en évolution rapide• Aumoins 5projets en cours d’étude,don’tleprojet Européen Hermes.

• Lettre d’information duPNHEN° 121:POST-DOCONGRBS• WearelookingforaresearchertoworkonaHorizon2020projectHERMES-SP!<http://cordis.europa.eu/project/rcn/218722/factsheet/en>*

• Theprojectisamissionconceptbasedonaconstellationofnano-satellitesinalowEarthorbit,hostingnewminiaturizeddetectorstoprobetheX-raytemporalemissionofbrighthigh-energytransientssuchasGamma-RayBursts(GRB)andtheelectromagneticcounterpartsofGravitationalWaveEvents(GWE).Themaingoaloftheprojectistodemonstratethefeasibilityofdetectionandlocalisation ofhigh-energytransientswithsimplenano-satellitesandadisruptivelevelofcost-effectiveness.

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Lesétapes franchies depuis l’an dernier• Présentation duprojet auPASO(CNES)etauCSUT/SupAéro pourdiscuterdespré-études à faire(stageCSUT).• Rédaction d’une fichepourlaprospectivenanosatduCNES.• Rédaction d’une “ficheprojet”IRAP.• Designd’un“Toy-model”(avecquelques simulations).• Commande d’undétecteur NaI+SiPM.

• Rejoignez lapetiteéquipe quis’intéresse auprojet !!• JLA– D.Barret– R.Pons– D.Rambaud – L.Bouchet – O.Godet– J.-P.Dezalay –A. Hugues – A.Klotz

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Un«toymodel »• Fgfgs

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5°

Localisation:1satellite 3satellites 5satellites

ç Impression3Dàl’échelle1

Réponsespatialeè

THESEUS

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2

Z~10

Z~6

Planck

THESEUS

EUCLID

THESEUS:Rappel des objectifs scientifiquesUniversLointain:LebutdeTHESEUSestd’explorerl’Universprofondjusqu’àl’époquedeleréionisation endévoilantunepopulationdesursautsgamma(GRBs)inéditeproduitedanslepremiermilliardd’annéedenotrehistoirecosmologique.

L’étude de l’Univers avant et pendant l’époquede la ré-ionisation représente l’un des sujetsmajeurs pour la prochaine générationd’instruments dans l’espace et au sol.Beaucoup de questions à propos de laformation initiale des structures dans l’Universprimordial seront toujours ouvertes dans ladeuxième moitié des années 2030:

• Quandetcommentsesontforméeslespremièresétoiles etgalaxies?

• Quellessontleurspropriétés?Quandetcommentl’Universs’estenrichienmétaux?

• Quellessontlessourcesquioncontribuéàlaréionisation?

30/11/2016 DiegoGötz- THESEUS- CNES

u Soft X-ray Imager (SXI): un ensemble de quatretélescopes focalisant en rayons X de type « LobsterEye » sensibles dans la bande 0.3 - 5 keV, avec unchamp de vue global de l’ordre de ~1sr avec unecapacité de localisation de < 1-2’;

u X-Gamma rays Imaging Spectrometer (XGIS,):trois télescopes à masque codé sensible dans lebandes X et gamma (2 keV – 10 MeV) dont le plande détection est composé par de barres de diodesde Silicon couplés avec des cristaux scintillants deCsI. Le champ de vue >1sr se superpose à celui duSXI, avec précision de localisation de ~5’.

u InfraRed Telescope (IRT): un télescope dans ledomaine de l’infrarouge de ~0.7m de diamètresensible dans la bande 0.7 – 1.8 μm, avec unchamp de vue de 10’x10’, capable d’imagerie et despectroscopie avec une résolution modérée.

LachargeutiledeTHESEUS

• LEO(<5°,~600km)• Rapidslewingbus• Promptdownlink

TheInfra-Red Telescope (IRT)

30/11/2016 15DiegoGötz- THESEUS- CNES

SynergieavecATHENA• ATHENAestleprochaingrandobservatoireXdel’ESA,c’estleprojetL2,avec

unedatedelancementen2028-2030.– X-IFU(PIFrance)seralepremiercalorimètredansl’espaceassociéàunegrandesurface

collectrice (~1m2@1.25keV)etunebonnerésolutionspatiale(10arcsec).• ATHENAauraunmodederéponserapide(6heures)dédiéàl’observationsdes

rémanencesdesGRBdanslesrayonsXavecX-IFU->objectif:étudiel’enrichissementchimiquedel’Univers

• Al’époqued’ATHENA,THESEUSpourraitêtrelaseulemissioncapabledefournirdesalertesdequalitéavecunemesurederedshift associéetpourdessursautàhautredshift (laduréedeSVOMnominale+étendue:5ans)

• LasynergieATHENA/THESEUSreprésenteuneoccasionuniquedemesuresimultanéeenXetNIR– NIR:informationsurlesélémentsfaiblementionisés– X:métauxenabsorptiontrèsionisés

• Visionglobaledesabondanceschimiquesàhautredshift

• PotentielscientifiquereconnuparESASSC(reportonL2/L3sciencethemes, Oct.2013):– « TheSSCstronglyendorsestheneedtocontinuepursuinginthefuturethediscoveryof

GRBs,whilehowever,notfeelingthatthisbyitselfjustifiesadedicatedLmission »– « ApowerfulmissionaddressingthehotandenergeticUniverseinthenextdecadeshould

havethecapacitytodoscienceonGRBs,eitherhavingonboardthenecessaryburstalertsystemorbyrelyingonexternaltriggerinputs»

30/11/2016 19DiegoGötz- THESEUS- CNES

30/11/2016 DiegoGötz- THESEUS- CNES 24

WBSTHESEUS

Diego Götz (CEA Saclay-Service d’Astrophysique)

au nom THESEUS France

THESEUS est une collaboration internationale coordonnée par L. Amati (INAF, I), P. O’Brien (U. Leicester, UK), DG (F), E. Bozzo

(Obs. Genève, CH), C. Tenzer (IAAT, D)

http://www.isdc.unige.ch/theseus/

30/11/2016 1DiegoGötz- THESEUS- CNES