| Organisation |  NASA |
|---|---|
| Constructeur | Université de Berkeley (instrumentation) Northrop Grumman (plateforme) |
| Programme | Explorer (SMEX) |
| Domaine | Astronomie gamma |
| Statut | En développement |
| Autres noms | COSI, SMEX 17 |
| Lancement | vers août 2027 |
| Lanceur | Falcon 9 |
| Masse au lancement | < 400 kg |
|---|---|
| Contrôle d'attitude | Stabilisé 3 axes |
| Source d'énergie | Panneaux solaires |
| Type | Compton |
|---|---|
| Longueur d'onde | gamma mou 0,2 à 5 MeV |
LeCompton Spectrometer and Imager, également désigné par son acronymeCOSI, est untélescope spatial conçu pour observer lerayonnement gamma mou (0,2 à 5 MeV). Il est développé par l'Université de Berkeley (instrumentation) pour le compte de l'agence spatialeaméricaine, laNASA. COSI a été sélectionnée en 2021 en tant que missionSMEX duprogramme Explorer : SMEX rassemble des missions scientifiques à faible coût. Le télescope doit être lancé en 2027 par une fuséeFalcon 9. COSI sera placé sur une orbite terrestre basse d'où il effectuera des observations des sources du ciel entier.
Le télescope utilise des détecteurs engermanium exploitant ladiffusion Compton pour réaliser des images, collecter des spectres et déterminer la polarité des émissions des sources gamma denotre galaxie. Le champ de vue instantané couvre 25% du ciel. Les objectifs scientifiques comprennent l'étude de l'annihilation matière-antimatière, la cartographie des régions où s'effectue la nucléosynthèse, l'étude des processus des environnements extrêmes grâce à des mesures de polarisation ainsi que la détection et la localisation dessources multi-messagers.
L'étude durayonnement gamma mou (autour de 1 MeV) émis par les sources astronomiques est relativement peu avancée du fait de difficultés d'observation liées à unbruit de fond particulièrement élevé dans ces longueurs d'onde. Or cette partie du spectre électromagnétique est riche en informations scientifiques car elle comprend les lignes d'émission d'éléments radioactifs, de l'annihilation matière-antimatière (0,511 MeV) ainsi que certains rayonnements en provenance de trous noirs actifs. Par ailleurs, cette partie du spectre électromagnétique joue un rôle clé enastronomie multimessager[1].
La mission COSI doit recenser et caractériser les sources galactiques (de notre galaxie) derayonnement gamma doux (0,2 à 5 MeV) avec les objectifs suivants[2],[3] :
Au cours de la décennie 2000, l'Université de Berkeley (Californie) développe untélescope gamma destiné à mesurer lapolarisation durayonnement gamma qui doit être embarqué sur unballon stratosphérique. Pour ces observations, le télescope, qui est baptiséCompton Spectrometer and Imager (COSI) et observe le rayonnement gamma mou (0,2 à 5 MeV), utilise des détecteurs engermanium et exploite ladiffusion Compton. L'instrument est testé à plusieurs reprises à bord d'unballon stratosphérique à grande capacité (532 000 m³) de la NASA utilisant une nouvelle technique (ballon haute pression). En juillet 2016, un ballon emportant COSI achève avec succès un vol d'une durée de 47 jours[Note 1] au cours duquel l'instrument observe le rayonnement gamma de supernovae et d'autres sources et détecte au moins unsursaut gamma[4].
En 2019, la NASA lance la sélection de la prochaine mission de sonprogramme Explorer dédié aux missions scientifiques à faible coût. L'équipe de l'Université de Berkeley, dirigée par John Tomsick, décide de proposer une mission spatiale emportant son instrument COSI. L'agence spatiale américaine sélectionne en octobre 2021 COSI parmi 18 propositions de télescopes spatiaux soumises par différents instituts de recherche et universités. Le budget alloué à la mission est de 145 millions US$ (hors coût de lancement) et sa mise en orbite est prévue à l'époque en 2025. Le projet est supervisé par lecentre de vol spatial Goddard (établissement de la NASA)[5].
La NASA sélectionne début juillet 2024 le lanceurFalcon 9 développé parSpaceX pour la mise en orbite de COSI. Le lancement, qui est facturé 69 millions US$, doit avoir lieu en août 2027 depuis labase de lancement de Cape Canaveral[6].
Le télescope spatial COSI utilise uneplateformestabilisée 3 axes et alimentée en énergie par despanneaux solaires déployés en orbite. Cette plateforme de type LEOStar-2 est fournie parNorthrop Grumman qui a également en charge l'intégration du satellite et les tests. COSI a une masse totale au lancement inférieure à 400 kilogrammes[7],[8].
Le télescope développé par l'Université de Berkeley est de typeCompton compact. Le télescope repose sur une matrice de 16détecteurs à semi-conducteur engermanium disposés sur quatre couches (2 x 2 x 4). Pour fonctionner, ces détecteurs doivent être maintenus à une température de -200 °C. Dans ce but, la matrice de détecteurs est encapsulée dans uncryostat dont la température est maintenue en dessous de ce seuil grâce à uncryo-réfrigérateur permettant d'éviter le recours à des consommables (hélium liquide) qui limiteraient la durée de fonctionnement du télescope. Un bouclier anti coïncidences recouvre les quatre côtés et la base du cryostat pour permettre d'écarter les détections ne correspondant pas à des sources astronomiques. Ce bouclier est constitué descintillateurs engermanate de bismuth. Les détecteurs en germanium, qui ont été développés par leLaboratoire national Lawrence-Berkeley, ont une dimension de 8 x 8 x 1,5 centimètres. Chacun comporte 64électrodes enaluminium espacées de 1,162 millimètre et déposées sur leurs deux faces orthogonalement l'une par rapport à l'autre. Ces électrodes, dont les signaux sont traités par descircuits intégrés de typeASIC à 32 canaux (96 ASIC en tout), permettent de reconstituer une image tridimensionnelle du parcours du rayon gamma dans l'ensemble des détecteurs[9].
Les caractéristiques du télescope COSI permettent d'obtenir des performances nettement améliorées par rapport à l'instrument précédent développé par la NASA et placé en orbite en 2000 (Comptel embarqué sur le télescope spatialCGRO). Ces caractéristiques sont résumées dans le tableau ci-dessous[10] :
| Caractéristique | COSI | Comparaison // COMPTEL |
|---|---|---|
| Champ de vue | 25° | |
| Résolution spectrale (FMWH) | 6 keV à 0,511 Mev 9 keV à 1,157 Mev | 10 à 50 fois |
| Résolution angulaire (FMWH) | 4,1° à 0,511 Mev 2,1° à 1,809 Mev | |
| Sensibilité (après 2 ans d'observation) | 1,2 × 10-5 photons cm−2 s−1 à 0,511 MeV 3 × 10-6 photons cm−2 s−1 à 1,809 MeV | |
| Limite de flux pour la polarisation (après 2 ans d'observation) | 1,4 × 10−10erg cm−2 s−1 (0,2-0,5 MeV) | |
| Détectionsursaut gamma | Délai transmission < 1 heure Localisation < 1° (variable selon volume de photons) Précision heure arrivée : 100 millisecondes |
Le télescope COSI sera placé sur uneorbite quasi équatoriale (inclinaison orbitale proche de 0°) pour réduire le temps passé dans l'anomalie magnétique de l'Atlantique sud génératrice debruit de fond. Lechamp de vue couvre un angle de 120° du ciel. Pour disposer d'une couverture complète du ciel sur 24 heures, le pointage du télescope sera modifié de 60° dans la direction nord-sud toutes les 12 heures. Il est prévu qu'environ 10% du temps de fonctionnement soit alloué à l'observation d'objets célestes spécifiques[11]
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