L'astronomie en rayons X étudie les objets les plus chauds et les phénomènes les plus énergétiques de notre Univers. La mission spatiale NewAthena est la deuxième prochaine mission de classe Large de l'Agence Spatiale Européenne, après LISA, et a pour thématique scientifique l'Univers chaud et énergétique, avec un lancement prévu à la fin des années 2030. NewAthena emportera un télescope en rayons X en orbite autour de la Terre avec à son foyer deux instruments, le Wide Field Imager, une caméra grand champ, et le X-Ray Integral Field Unit, un spectromètre d'intégrale de champ. L'instrument X-IFU permettra la mesure de spectres de haute résolution en rayons X entre 0.2 et 12 keV sur chacun de ses 1504 pixels grâce à sa matrice de micro-calorimètres de type Transition Edge Sensors (TES) refroidis à 55 mK.
NewAthena et l'instrument X-IFU permettront des avancées majeures dans l'étude des amas de galaxies, qui sont les objets les plus massifs issus du processus de formation des structures de l'Univers. Les amas de galaxies sont visibles en rayons X grâce au gaz chaud qu'ils contiennent, appelé milieu intra-amas. L'étude des propriétés du milieu intra-amas permet de comprendre la formation de ces grandes structures et les principaux mécanismes à l’œuvre dans celle-ci. En particulier, je m'intéresserai à l'étude des mouvements du gaz et de la turbulence, qui permettent de comprendre les processus qui dissipent de l'énergie dans ce milieu et contribuent au chauffage non-thermique du gaz. X-IFU permettra de de cartographier les mouvements du gaz, ce qui en fait un instrument idéal pour l'étude de la turbulence dans les amas. Au cours de ma thèse, je me suis appuyé sur des simulations réalistes d'observations d'un amas de galaxies type pour étudier les contraintes sur la turbulence qui pourront être obtenues à l'aide des futures observations de X-IFU. Cette approche a nécessité de prendre en compte la nature aléatoire des champs de turbulences et le fait que chaque amas observé représente une unique réalisation. Pour cela, j'ai utilisé d'abord une approche semi-analytique, basée sur un modèle théorique, et ensuite une approche basée sur des réseaux de neurones pour l'inférence. J'ai pu émettre des contraintes avec chacune des deux approches et conclure sur la capacité de X-IFU à contribuer à l'étude des turbulences dans les amas de galaxies.
L'instrument X-IFU est constitué d'une chaîne de lecture complexe pour l'acquisition des données issues des 1504 pixels. Le développement de cette chaîne de lecture demande la caractérisation des différents prototypes dans une configuration représentative du fonctionnement globale de l'instrument. Un banc de test cryogénique, appelé banc 50~mK, a été développé à cet effet à l'IRAP avec la collaboration du CNES. Il est constitué d'un cryostat et d'une matrice de micro-calorimètres au fonctionnement similaire à ceux de X-IFU. Ce banc de test a été caractérisé en performance avec une électronique de lecture dont le fonctionnement a déjà été établi par ailleurs à la NASA/GSFC. Au cours de ma thèse j'ai contribué à l'amélioration des performances de ce banc, à travers sa stabilité thermique et son niveau de bruit électronique. J'ai également déterminé les paramètres de fonctionnement optimaux de la matrice de micro-calorimètres avant l'installation des premiers prototypes de l'électronique de X-IFU.
L'étalonnage de X-IFU sera un processus complexe divisé en plusieurs tâches, mené d'abord au sol sur les modèles de démonstration, d’ingénierie et de vol, puis en vol. Dans la dernière partie de ce manuscrit, je décris le plan d'étalonnage de X-IFU, ainsi que mes contributions à cet effort à travers le développement de sources d'étalonnage et de compétences pour leur utilisation. |
X-ray astronomy is the study of the hottest objects and most energetic phenomena in our Universe. The NewAthena space mission is the second upcoming Large-class mission of the European Space Agency, after LISA. Its scientific theme is the hot and energetic Universe, and its launch is planned for the late 2030s. NewAthena will carry an X-ray telescope
into Earth orbit. At its focal plane, two instruments will be installed : the Wide Field Imager, a wide field camera, and the X-Ray Integral Field Unit, and integral field spectrometer. The X-IFU will measure high resolution X-ray spectra between 0.2 and 12 keV on each of its 1504 pixels. This is made possible by an array of Transition Edge Sensors (TES) microcalorimeters, cooled to 55 mK.
Together, NewAthena and X-IFU will enable major breakthroughs in the study of galaxy clusters - the most massive objects to be produced by the structure assembly in the Universe. Galaxy clusters are visible in the X-ray thanks to the hot gas they contain, called the intracluster medium. The study of the properties of this gas provides insight into large scale
structure formation and the key physical mechanisms at work. I have studied gas motions and turbulence in particular. These processes play a central role in energy dissipation and non-thermal heating of the gas. X-IFU will map gas motions, making it an ideal instrument for the study of turbulence in galaxy clusters. During my PhD, I used realistic simulations
of a typical galaxy cluster. My goal was to estimate how well X-IFU could constrain turbulence. This required accounting for the stochastic nature of turbulent fields, and the fact that each observed galaxy cluster is only a single realisation. I first used a semi-analytical model, based on a theoretical model. I then applied a neural network–based inference ap-
proach. I provides constraints with both methods and I concluded on the ability of X-IFU to contribute to the study of turbulence within galaxy clusters.
The X-IFU instrument includes a complex readout chain to acquire data from all 1504 pixels. Developing the readout chain requires characterising prototypes in a configuration that is representative of the operation of X-IFU. To that end, a cryogenic test bench, nicknamed 50 mK test bench, has been developed at IRAP with the support of CNES. It consists of a cryostat and a micro-calorimeter array, operating in a similar way to X-IFU. This test bench has been characterised with readout electronics previously validated at NASA/GSFC. During my PhD, I contributed to improving is perforlance by enhacing its thermal stability and reducing electronic noise. I have also determined the optimal operating parameters of the micro-calorimeter array before the first X-IFU prototypes were installed. The calibration of X-IFU will be a complex process, divided in several tasks. It will begin on
the ground using demonstration, engineering and flight models, and continue in flight. In the last part of this manuscript, I describe the calibration strategy, and my contributions to it, including the development of calibration sources and associated expertise for their use. |