Le télescope à rayons X suisse STIX s’envole vers le Soleil

La sonde spatiale Solar Orbiter devrait être lancée le 10 février 2020 avec une fusée Atlas V depuis Cape Canaveral pour entamer son voyage en direction du Soleil.

Elle devra s’approcher jusqu’à 45 millions de kilomètres du Soleil, soit environ un quart de la distance qui sépare ce dernier de la Terre. Elle doit en outre permettre pour la première fois d’étudier les régions polaires de l’astre, jusque-là inconnues. «Solar Orbiter» est une mission de l’ESA, l’Agence spatiale européenne, en étroite collaboration avec son pendant américain, la NASA.

Mieux comprendre le Soleil

Planifiée sur une période de sept ans, cette mission a pour objectif de rechercher les causes de ce qu’on appelle le vent solaire. Le vent solaire est un flux de particules chargées, émis continuellement par le Soleil et qui traverse l’ensemble du système solaire. Il est entre autres responsable des aurores boréales. Les dix instruments à bord de la sonde spatiale tenteront par diverses mesures coordonnées de percer ses mystères.

Les éruptions solaires sous l’œil de STIX

Le télescope à rayons X STIX est l’un des instruments présents à bord de «Solar Orbiter». «Nous allons enregistrer non seulement des images, mais aussi des spectres de rayons X émis par le Soleil», confie le professeur Säm Krucker, responsable principal de STIX et professeur de physique solaire. Ces données contiennent des informations sur les états physiques et les processus qui se manifestent lors d’éruptions solaires, autrement dit lorsque d’immenses quantités de matière et de particules chargées sont projetées de manière explosive dans l’espace. Le vent solaire évolué alors en une tempête solaire qui, outre les aurores boréales, peut également provoquer des perturbations au niveau des satellites de communication, du GPS, des avions ou des réseaux électriques.

Les causes des éruptions solaires sont liées au problème du chauffage de la couronne solaire, une question à laquelle les physiciens solaires n’ont pas encore de réponse. Tandis que l’atmosphère extérieure du Soleil affiche une température d’environ un million de degrés, la surface solaire elle-même atteint «seulement» six mille degrés.

La Haute école d’ingénierie FHNW, à Windisch, est responsable du développement, de la construction, de l’exploitation et de l’évaluation scientifique de STIX, sous la direction de Säm Krucker. L’astrophysicien avait déjà eu l’idée, 18 ans plus tôt, d’un télescope à rayons X. Au cours des dix dernières années, avec son équipe de la FHNW, il a mis en place un consortium international qui a préparé l'instrumentation et le logiciel de STIX. Le financement du projet a été garanti par l'ESA et le Swiss Space Office du Secrétariat d’Etat à la formation, à la recherche et à l’innovation SEFRI.

Détecteurs à pixels mis au point par le PSI

Dans le télescope STIX, des détecteurs à pixels de 10 millimètres de côté mesurent l’énergie et le moment d’arrivée des rayons X incidents pendant une éruption solaire. Ces détecteurs ont été développés au PSI sur mandat de la FHNW par une équipe placée sous la houlette de Martin Bednarzik, responsable de salle blanche. En principe, lorsque des rayons X atteignent des détecteurs, ils génèrent un petit signal électrique qui peut être capté par de l’électronique de lecture sensible. Souvent, ces détecteurs sont en silicium, un matériau semi-conducteur. Mais pour cette mission, des détecteurs fabriqués dans ce matériau n’auraient pas été adéquats. «Le télescope doit en effet pouvoir mesurer un spectre d’énergie assez large, explique Martin Bednarzik. Avec du silicium, que l’on utilise normalement pour ce genre de composants, cela ne fonctionnerait pas, car ses propriétés d’absorption n’apporteraient pas ce résultat à hautes énergies.»

Pour le matériau, le choix s’est donc porté à la place sur un autre semi-conducteur, le tellurure de cadmium. Pendant six ans, les chercheurs du PSI ont construit et testé en salle blanche quelque 300 capteurs en tellurure de cadmium. Pour ce faire, il leur a d’abord fallu développer et optimiser les procédés de fabrication. «Chaque capteur est fait à la main», précise Martin Bednarzik. Les 32 meilleurs exemplaires ont été reliés à l’électronique de lecture au centre de recherche CEA à Paris et sont en train d’être intégrés au télescope STIX qui s’envolera dans l’espace à bord de Solar Orbiter.

Deux ans pour obtenir les premières mesures

Les énormes différences de température constituent un véritable défi pour la sonde et pour ses instruments: sur la face de «Solar Orbiter» dirigée vers le Soleil, il fera plus de 500 degrés, tandis qu’il pourra faire jusqu’à -100 degrés à l'ombre. Un bouclier massif en titane doté d’une couche de protection noire spécialement conçue pour cette sonde abritera les instruments de la chaleur du Soleil. Ce qui explique d’ailleurs pourquoi la sonde pèsera au départ pas moins de 1,8 tonne.

Une fois lancée depuis le Cap Canaveral, en Floride, la sonde mettra deux ans pour atteindre l’orbite du Soleil, en s’aidant de ce que l’on appelle l’assistance gravitationnelle de la Terre et de Vénus. La sonde devrait entamer ses mesures en novembre 2021 et sera en service au moins jusqu’en décembre 2025. Les chercheurs espèrent pouvoir profiter d’étroites synergies avec la mission «Parker Solar Probe» de la NASA.. Le budget de la mission «Solar Orbiter» s’élève à environ 1,5 milliard d’euros.

STIX: qui participe?

Le télescope à rayons X STIX a été conçu et réalisé sous la direction de la Haute école spécialisée du Nord-ouest de la Suisse FHNW par des entreprises et des instituts de recherche suisses, en collaboration avec des partenaires de Pologne, France, République tchèque, Allemagne, Autriche, Irlande et Italie.

Entreprises suisses participantes:

• Almatech SA, Lausanne
• Art of Technology AG, Zurich
• Syderal Swiss SA, Gals
• Maxon Motor SA, Sachseln
• SWSTech AG, Frauenfeld
• Createch AG, Langenthal
• CNC Dynamix AG, Büron
• Ernst Hänni AG, Volketswil
• Heinz Baumgartner AG, Urdorf
• Hasler AG, Vogelsang
• Niklaus SA, Meyrin
• REMOTEC GmbH, Wädenswil
• Ateleris GmbH, Brugg AG
• KOEGL Space, Dielsdorf

 Instituts de recherche suisses participants:

• Haute école d’ingénierie FHNW
• Institut Paul Scherrer PSI
• Université de Berne

La Suisse participe en outre à deux autres instruments présents sur la sonde Solar Orbiter – EUI (Extreme Ultraviolet Image) et SPICE (Spectral Imaging of the Coronal Environment) – sous la houlette du professeur Louise Harra, directrice du PMOD/WRC à Davos.

Texte: Rédigé sur la base d’un communiqué de presse de la Haute école spécialisée du nord-ouest de la Suisse FHNW avec des compléments de l’Institut Paul Scherrer/Brigitte Osterath