Compton Gamma-Ray Observatory
| Organisation | NASA |
|---|---|
| Programme | Grands Observatoires |
| Domaine | Étude des rayons gamma |
| Autres noms | CGRO |
| Lancement | 5 avril 1991 à 14 h 23 TU |
| Lanceur | Atlantis |
| Fin de mission | 4 juin 2000 |
| Identifiant COSPAR | 1991-027B |
| Site | cossc.gsfc.nasa.gov |
| Masse au lancement | 16 329 kg |
|---|
| Orbite | Orbite terrestre basse |
|---|---|
| Périapside | 362 km |
| Apoapside | 457 km |
| Période de révolution | 90 min |
| Inclinaison | 28,5° |
| Type | Multiples détecteurs de scintillation gamma |
|---|---|
| Longueur d'onde | Rayons gamma |
| BATSE | 8 détecteurs gamma 20 keV-1 MeV |
|---|---|
| OSSE | Détecteur 100 keV-10 MeV |
| COMPTEL | Détecteur 1-30 MeV |
| EGRET | Détecteur 20 MeV-30 GeV |
LeComptonGamma-Ray Observatory(CGRO) est unobservatoire spatialpour lesrayons γdéveloppé par laNASA.C'est l'un des quatretélescopes spatiauxduprogramme des Grands Observatoiresdéveloppé par l'agence spatialeaméricainedans les années 1980 pour traiter les principales questions dans le domaine de l'astronomieet de l'astrophysique.Il est placé en orbite par lanavette spatiale Atlantis(missionSTS-37), le.D'une masse de près de 17 tonnes, il est à l'époque le satellite destiné à l'astrophysique le plus lourd jamais lancé. LeCompton Gamma-Ray Observatory,grâce à ses quatre instruments, couvrant un spectre d'énergie très étendu allant de20keVà 30 Gev, est le premier observatoire gamma couvrant l'ensemble du ciel, et fournit des données d'une précision inégalée. Il produit de nombreux résultats qui légitiment les apports de l'astronomie gamma. Il effectue notamment un recensement dessursauts gammaà l'aide de l'instrument BATSE, qui permet d'en démontrer l'origine extragalactique. Après 9 ans de fonctionnement, le télescope, dont le fonctionnement se dégrade par suite de la perte d'un gyroscope, est volontairement détruit, par sarentrée atmosphériquele.
Historique
[modifier|modifier le code]Au milieu des années 1970 l'agence spatialeaméricaine, laNASA,développe trois observatoires spatiaux —HEAO-1(lancé en 1977),HEAO-2(1978) etHEAO-3(1979) — consacrés à l'observation durayonnement Xetgamma.En 1977, la NASA annonce le développement d'un observatoire entièrement consacré aurayonnement gammadans le cadre de sonprogramme des Grands Observatoires.Celui-ci comprend 4 missionsHubble(lancé en 1990) pour les observations dans lespectre visibleet l'ultraviolet proche,Chandra(1999) pour lesrayons X mous,Spitzerpour l'infrarouge(2003) et Gamma-Ray Observatory pour lerayonnement gammaet lesrayons X durs.Le développement de la mission Gamma-Ray Observatory est confié aucentre de vol spatial Goddard,établissement de la NASA qui est chargé des missions d'astrophysique.L'observatoire spatial est développé en profitant des percées techniques des années 1980 dans le domaine des détecteurs.
Après 14 ans de développement, Compton Gamma-Ray Observatory est placé en orbite par lanavette spatiale Atlantis(missionSTS-37) le.Pour allonger la durée de vie de Gamma-Ray Observatory, la navette spatiale se hisse de manière exceptionnelle jusqu'à l'altitude de travail de l'observatoire spatial (450kmavec uneinclinaison orbitalede 28,5°). L'observatoire est largué le troisième jour de la mission mais deux astronautes doivent effectuer unesortie extravéhiculairepour débloquer l'antenne grand gain qui refuse de se déployer[1].Après son lancement l'observatoire spatial est baptiséCompton Gamma Ray Observatoryen l'honneur d'Arthur Compton,prix Nobel de physiquepour ses travaux sur les rayons gamma. La mission doit durer deux ans avec une extension possible de 1 an. Les instruments fonctionnent finalement durant 9 ans.
Dès son lancement la NASA décide que le satellite effectue en fin de vie unerentrée atmosphériquecontrôlée pour éviter tout risque car, compte tenu de sa taille (16 tonnes), certains morceaux du satellite risquent d'arriver jusqu'au sol. En décembre 1999, l'un des troisgyroscopesdu satellite tombe en panne et les ingénieurs de la NASA décident de déclencher la rentrée atmosphérique sans attendre une nouvelle défaillance. Fin mai, les moteurs de Compton Gamma-Ray Observatory sont mis à feu à quatre reprises pour abaisser son orbite jusqu'à une altitude de 148km.Le satellite effectue une rentrée contrôlée dans l'atmosphère le 4 juin 2000 et ses débris plongent dans l'océan Pacifiqueà environ 4 000kmau sud-est d'Hawaï[2].
Objectifs de la mission
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Les objectifs de la mission sont définis en se basant sur les recommandations du Comité d'astronomie et d'astrophysique spatiale de l'Académie nationale des sciencesaméricaine[3]:
- Étude destrous noirs,lesétoiles à neutronset autres objets célestes émettant uniquement des rayons gamma.
- Recherche desraies spectralesgamma pouvant indique des sites où s'effectue lanucléosynthèseet d'autres raies spectrales émises par des processus astrophysiques.
- Étude du rayonnement gamma dans notregalaxieafin d'étudier l'origine et la pression dynamique exercée par les gaz durayonnement cosmiqueet les structures mises en évidence par l'interaction entre les rayons cosmiques et lemilieu interstellaire.
- Étude de la nature des autres galaxies aux longueurs d'onde gamma avec une emphase particulière sur les galaxies radio,galaxie de Seyfertet lesquasi-étoiles.
- Recherche des effets cosmologiques à travers l'observation du rayonnement gamma diffus et des émissions éventuelles des trous noirs primordiaux.
- Observation dessursauts gamma,de la distribution de leur luminosité, de leurs caractéristiques spectrales et temporelles et de leur distribution spatiale.
- Cartographie des raies spectrales 0,511 MeV et 1,809 MeV (aluminium 26) pour en déterminer leur origine.
Caractéristiques techniques de l'observatoire
[modifier|modifier le code]Le Compton Gamma-Ray Observatory est à l'époque le plus grossatellite scientifiquejamais lancé avec une masse de plus de16 tonnes.Celle-ci se subdivise en6 tonnespour lacharge utile,8 tonnes pour la structure et 1,9 tonne d'ergolspour la propulsion. Le corps du satellite occupe un volume de 7,7 × 5,5 × 4,6m.Sespanneaux solairesune fois déployés lui donne une envergure de21 mètres.Les instruments sont positionnés sur laplate-formede manière qu'aucun obstacle ne vienne s'interposer dans leur champ de vue. Pour le lancement, le Compton Gamma-Ray Observatory occupe environ la moitié de la soute cargo de lanavette spatiale américaine.Le système de propulsion comprend 4moteurs-fuséesayant unepousséeunitaire de 440newtonsutilisés pour les corrections d'orbite et 8 propulseurs de 22 newtons utilisés pour contrôler l'orientation. Tous ces moteurs brûlent de l'hydrazinestockée dans quatre réservoirs. Les 16 tonnes doivent permettre à l'observatoire de se maintenir sur son orbite entre 6 et 10 ans[4].La principale source de consommation est liée à la dégradation de l'orbite due à la trainée générée par l'orbite résiduelle.
Le satellite eststabilisé sur 3 axeset les instruments sont pointés avec une précision de 0,5°. L'orientation et les mouvements de Compton Gamma-Ray Observatory sont déterminés via 3viseurs d'étoilesà tête fixe, unecentrale à inertiecomprenant 4gyroscopeset descapteurs solairesgrossiers et fin. Pour modifier son orientation, l'observatoire spatial dispose de 4roues de réactionet en dernier recours (saturation des roues) du système de propulsion. Dans le mode de fonctionnement normal, le satellite maintient les instruments pointés vers la cible choisie[5].Le système de télécommunications est basé sur celui des satellitesSolar Maximum MissionetLandsat 4et5.Celui-ci fonctionne enbande Set comprend une antenne paraboliquegrand gainde 1,52 mètre de diamètre et deux antennes faible gain. Les données scientifiques sont transmises avec un débit de 256 à 512kilobitspar seconde via les satellites relais de la NASATDRSou 32 kilobits/s directement vers les stations sol. Les commandes sont reçues avec un débit de 1 ou 125 kilobits/s[6],[7].L'énergie électrique est fournie par despanneaux solairesrepliés en accordéon au lancement et déployés en orbite. Ceux-ci, d'une superficie totale de 37 m², produisent 4 300wattsau début de la mission alors que l'observatoire a besoin de 2 000 watts. L'énergie est stockée dans 6accumulateurs nickel cadmiumd'une capacité unitaire de 50ampères-heures[8],[7].
Instruments scientifiques
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Le Compton Gamma-Ray Observatory emporte quatre instruments qui couvrent pour la première fois l'ensemble duspectre électromagnétiqueà haute énergie (de20keVà30GeV), soit plus de 6 ordres de grandeurs enfréquence,longueur d'ondeouénergie.Les instruments sont décrits ci-dessous par ordre croissant d'énergie.
BATSE
[modifier|modifier le code]BATSE (Burst and Transient Source Experiment), observe le rayonnement gamma de faible énergie (20keV-1MeV) et de courte durée, lessursauts gamma.L'instrument est composé de 8détecteurs à scintillation,chacun disposé à un coin du satellite (lui-même ayant la forme approximative d'unparallélépipède). Cette configuration permet au satellite de scruter en permanence l'ensemble du ciel visible (hors obstruction de la Terre). Le champ de vue des détecteurs se recouvre ce qui permet à un sursaut gamma d'être visible simultanément par 4 détecteurs. L'incidence jouant sur l'intensité du signal, cette disposition permet de déterminer la position de la source avec une précision de 3° pour les sursauts gamma les plus intenses. Chaque détecteur utilise deuxscintillateursà base decristauxd'iodure de sodiumpour convertir les rayons gamma le frappant enlumière visible.Untube photomultiplicateurpermet d'analyser la lumière produite. La direction d'arrivée des rayons gamma est déterminée par la comparaison des temps d'arrivée des rayons gamma sur les différents détecteurs (d'où l'intérêt de les éloigner au maximum en les positionnant dans les coins du satellite).
Chacun des détecteurs comprend deux scintillateurs. Le LAD (Large Area Detector) de grande taille (B sur le schéma) est une plaque de 51 cm de diamètre pour 1,3 cm d'épaisseur. Il est optimisé pour la détection des événements brefs et de faible intensité avec une emphase mise sur sa sensibilité et la mesure de la direction d'arrivée. Trois photomultiplicateurs (C sur le schéma) amplifient le rayonnement lumineux généré. Un scintillateur en plastique placé devant le LAD (A sur le schéma) est utilisé comme système anti-coïncidences pour éliminer le bruit de fond généré par les particules chargées.
Le SD (Spectroscopy Detector) est optimisé pour les événements faisant intervenir un plus grand nombre de photons, afin de permettre d'effectuer des mesuresspectroscopiques.De petite taille (D sur le schéma), il permet de mesure un spectre énergétique plus large avec une meilleure résolution. Pour détecter un sursaut gamma logiciel embarqué analyse le nombre de photons produit par chacun des 8 détecteurs à différentes échelles de temps (64 ms, 256 ms et 1 024 ms) et le compare au bruit de fond[9].
OSSE
[modifier|modifier le code]OSSE (Oriented Scintillation Spectrometer Experiment), développé par leNaval Research Laboratorydétecte les rayons gamma dont l'énergie est comprise entre100keVet10MeV.Il comprend quatredétecteurs phoswich(sandwich de scintillateursNaI(Ti))etCsI(Na)). L'orientation individuelle de chaque détecteur peut être modifiée sur un plan. Cette fonction est utilisée d'une part pour mesurer le bruit de fond (celui-ci est évalué en dépointant l'instrument de son objectif durant 2 minutes) d'autre part pour maintenir l'instrument pointé vers une cible donnée malgré le changement d'orientation induit par le mouvement du satellite sur son orbite. Le détecteur d'un diamètre de 33 cm est constitué par un cristal NaI(Ti) de 10,2 cm d'épaisseur couplé sur le plan optique avec un cristal CsI(Na) de 7,6 cm d'épaisseur. Les photons générés sont amplifiés par septtubes photomultiplicateursde 8,9 cm de diamètre qui atteignent unerésolution spectralede 8 % à 0,661 MeV. Uncollimateuren alliage detungstènelimite le champ de vue à une fenêtre rectangulaire de 3,8 x 11,4° sur l'ensemble du spectre énergétique. L'ouverture de chaque détecteur phoswich est recouverte par un détecteur de particules chargées (CPD), constitué d'une scintillateur en plastique de 55,8 cm de large et 6 mm d'épaisseur associé à 4 tubes photomultiplicateurs de 5,1 cm de diamètre qui permet de rejeter les détections dues à au bruit de fond. Le collimateur et le détecteur phoswich sont encapsulés dans une enceinte annulaire constitué par un scintillateur réalisé à partir d'un cristal NaI(Ti) épais de 8,5 cm et long de 34,9 cm qui contribue également au bouclier anti-coïncidences[10].
COMPTEL
[modifier|modifier le code]COMPTEL (Imaging Compton Telescope), développé par l'Institut Max-Planck observe le rayonnement gamma émis avec une énergie comprise entre 1-30 MeV. Il peut déterminer l'angle d'arrivée à un degré près et l'énergie des photons de haute énergie à 5 % près. Ses détecteurs permettent de reconstituer une image gamma d'une portion du ciel. COMPTEL comprend deux réseaux de détecteurs écartés de 1,5 mètre qui sont frappés successivement par les rayons gamma. Le réseau de détecteurs supérieur est constitué par unscintillateurliquide et le détecteur inférieur par des cristaux deiodure de sodium[11].
EGRET
[modifier|modifier le code]EGRET (Energetic Gamma Ray Experiment Telescope), mesure les sources gamma aux plus hautes énergies (20MeVà10GeV) en localisant la source avec une précision d'une fraction de degré et en évaluant l'énergie à 15 % près. EGRET résulte d'une collaboration ducentre de vols spatiaux Goddard,de l'Institut Max-Planck et de l'université Stanford.Ledétecteur de particulesest unechambre à étincellesqui détecte la production d'une paireélectron-positonlorsque le rayon gamma traverse le gaz qui la remplit. Uncalorimètreutilisant unscintillateurNaI(Ti) placé sous la chambre permet de déterminer l'énergie du rayon avec une bonne précision. L'instrument est enfermé dans un dôme anti-coïncidences qui permet de rejeter les particules chargées issues du bruit de fond. La provenance du rayon gamma est déterminée par deux couches de 16 scintillateurs temps de vol. Une deuxième chambre à étincelles située entre les deux couches de scintillateurs permet de suivre la trajectoire de l'électron et fournit des informations complémentaires notamment sur l'énergie de la particule. L'énergie du rayon gamma est déterminée en grande partie par un scintillateur de forme carrée (76 × 76cm) constitué par des cristaux NaI(Ti) et situé sous les scintillateurs temps de vol[12].
- Schémas des instruments BATSE et OSSE
-
Schéma de l'instrumentBATSE:ADétecteur de particules ionisées,BGrand scintillateur,CTubes photomultiplicateurs,DPetit scintillateur. -
Schéma de l'instrumentOSSE:ADétecteurs (4),BGrand scintillateur,CMoteurs d'orientation,DContrôle des particules chargées,EAxe de rotation,FStructure,HCarte interface avec le satellite -ICube alignement optique,JÉlectronique centrale,KProtection thermique,LÉlectronique des moteurs d'orientation,1Détecteur particules chargées,2Support détecteur (2),3Bouclier annulaire NaI (4),4et5Détecteur phoswich (NaI, CsI),6Dôme bouclier magnétique,7Tubes photomultiplicateurs phoswich,8Tubes photomultiplicateurs du bouclier annulaire,9Bouclier magnétique,10Tubes photomultiplicateurs du détecteur de particules chargées,11HVPS,12LVPS,13Cavité remplie de Cobalt60,14Collimateur.
Résultats
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- Sursauts gamma:
- Découverte que lessursauts gammasont distribués de manière uniforme dans toutes les directions ce qui prouve que les sources de ces phénomènes ne sont pas localisés dans laVoie lactée[13].
- La mesure minutieuse de l'éclat des sursauts gamma démontre que relativement peu de ces phénomènes ont un éclat faible. Dans la mesure où ces derniers correspondent aux sources les plus lointaines, cela implique que la distribution des sursauts gamma a une limite extérieure[13].
- La mesure du rayonnement gamma quelques heures après un sursaut gamma indique qu'il existe une activité persistante après la bouffée d'énergie initiale.
- Sources au sein de notre galaxie[13]:
- Le nombre depulsars gammadétecté est passé de 2 à 7 avec une meilleure compréhension de la physique desétoiles à neutronen rotation rapide[13].
- Découverte d'un pulsar à sursaut, objet dont on ne pas connaît pas d'autre représentant et qui est situé près ducentre galactique.
- Découverte de nombreuses sources gamma non identifiées à la fois dans le plan et hors plan de la Voie lactée[13].
- Découverte avec le secours d'observations dans le rayonnement X que la sourceGemingajusque-là non identifiée est un pulsar gamma[13].
- Émission diffuse de rayonnement gamma:
- La cartographie gamma de notre galaxie, laVoie lactée,indique des concentrations de l'isotope radioactif de l'aluminium 26.Cette découverte apporte un éclairage important sur la manière dont les éléments chimiques sont créés dans notre galaxie[13].
- Étude de l'annihilation électron/positron au centre de notre galaxie[13].
- Découverte d'une raie d'émission gamma produite par lerémanent de supernovaCassiopée A.Cette découverte a également un impact important sur la synthèse des éléments chimiques[13].
- Découverte de raies d'émission gamma par les nuages diffus de gaz du complexe d'Orion.Ces lignes sont sans doute produites par l'interaction entre le rayonnement cosmique énergétique et le gaz local[13].
- Sources extragalactiques de rayonnement gamma:
- Localisation des sources de rayonnement gamma à haute énergie dans les noyaux desgalaxies activesde typeblazar[13].
- Mesure de la distribution d'énergie émise par desgalaxies de Seyfert(un autre type de galaxie active) qui montrent que la production des photons gamma s'éteignent à des énergies beaucoup plus faibles que ce qui est prévu.
- Détection d'émission gamma diffuse par leGrand Nuage de Magellan,la galaxie la plus proche de la nôtre, permet de démontrer que lerayonnement cosmiqueest d'origine galactique[13].
Images prises par Compton Gamma-Ray Observatory
[modifier|modifier le code]- Images prises par CGRO
-
Carte des sursauts gamma détectés par BATSE: leur répartition uniforme permet d'exclure que leur source soit confinée à notre galaxie (Voie lactée) située sur l'équateur de la carte. -
Émissions gamma de plus de100MeVmesurées par Egret. La ligne brillante correspond à la Voie lactée. -
Le rayonnement gamma du Soleil imagé par COMPTEL.
Successeurs
[modifier|modifier le code]Dans le domaine spatial, les satellitesSwift,lancé en 2004 etFermi Gamma-ray Space Telescope(GLAST), lancé en2008,sont les successeurs duCompton Gamma-Ray Observatory.Au sol, leHigh Energy Stereoscopic System(HESS) représente le premiertélescopeà proprement parler (en mesure de réaliser des images de sources astrophysiques grâce à unpouvoir de résolutionangulaire suffisamment importante) opérant dans cette gamme de longueur d'onde.
Notes et références
[modifier|modifier le code]Notes
[modifier|modifier le code]- (en)«STS-37 (39)», surCentre spatial Kennedy (NASA),NASA(consulté le)
- (en)«COMPTON GAMMA RAY OBSERVATORY SAFELY RETURNS TO EARTH»,Centre de vol spatial Goddard,
- Gamma Ray Observatory (GRO) Prelaunch Mission Operations Report,p.6
- Gamma Ray Observatory (GRO) Prelaunch Mission Operations Report,p.26
- Gamma Ray Observatory (GRO) Prelaunch Mission Operations Report,p.29-31
- Gamma Ray Observatory (GRO) Prelaunch Mission Operations Report,p.31-33
- Compton Gamma Ray Observatory: Lessons Learned in Propulsion,p.12
- Gamma Ray Observatory (GRO) Prelaunch Mission Operations Report,p.33
- (en)«The BATSE Instrument»,Centre de vol spatial Goddard(consulté le)
- (en)«Description of the OSSE Instrument»,Centre de vol spatial Goddard(consulté le)
- (en)«Description of the COMPTEL Instrument»,Centre de vol spatial Goddard(consulté le)
- (en)«Introduction to EGRET, EGRET Data Products, and EGRET Data Analysis»,Centre de vol spatial Goddard(consulté le)
- (en)«Gamma Ray Astronomy in the Compton Era»,Centre de vol spatial Goddard,,p.2
Bibliographie
[modifier|modifier le code]- (en)NASA,Gamma Ray Observatory (GRO) Prelaunch Mission Operations Report (MOR),NASA,,78p.(lire en ligne)— Description technique détaillée de l'observatoire spatial.
- (en)NASA research announcement for the Compton Gamma Ray Observatory (présentation détaillée de l'instrumentation).
- (en)Brochure présentant l'observatoire et ses résultats.
- (en)J.M.Horack,«Development of the Burst and Transient Source Experiment (BATSE)»,NASA reference publication,vol.1268,,p.1-330(lire en ligne)— Description technique détaillée de l'instrument BATSE.
- (en)G. Dressleret al.« Compton Gamma Ray Observatory: Lessons Learned in Propulsion »(lire en ligne,consulté le)[PDF]
—37thA IAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference(Salt Lake City (Utah), 8-11 juillet 2001)— Bilan sur le système propulsif de CGRO.
- Sur les sursauts gamma:
- (en)Gilbert Vedrenne et Jean-Luc Atteia,Gamma-Ray Bursts: The brightest explosions in the Universe,Springer,,580p.(ISBN978-3-540-39085-5).
- (en)Joshua S. Bloom,What Are Gamma-Ray Bursts?,Princeton University Press,,280p.(ISBN978-0-691-14557-0).
Voir aussi
[modifier|modifier le code]Articles connexes
[modifier|modifier le code]- Astronomie gamma.
- Programme des Grands Observatoires.
- Swift.
- Fermi Gamma-ray Space Telescope.
- High Energy Stereoscopic System.
- Liste d'observatoires astronomiques.
Liens externes
[modifier|modifier le code]- (en)Site officieldu Compton Gamma Ray Observatory.
