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StarBurst
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StarBurst est un observatoire spatial de petite taille développé par l'agence spatiale américaine, la NASA, qui doit détecter les événements astrophysiques transitoires produisant des rayons gamma de très haute énergie tels que les sursauts gamma courts générés par la fusion d'étoiles à neutrons. La charge utile de l'observatoire spatial est constitué par un ensemble de 12 scintillateurs de type CsI(Tl) qui lui permet d'identifier les émissions gamma dans la bande spectrale 30-1000 keV avec un champ de vue couvrant l'ensemble du ciel visible quatre fois supérieur à celui de son prédécesseur, l'observatoire Fermi. StarBurst profite également des progrès significatifs réalisés durant la dernière décennie dans le domaine des photomultiplicateurs en silicium (SiPM). StarBurst doit faire progresser l'astronomie multimessager en identifiant des événements susceptibles d'être détectés par les observatoires d'ondes gravitationnelles. la mission StarBurst, qui doit être placé sur une orbite basse en 2027, a été sélectionnée en 2021 dans le cadre du programme Pioneers qui regroupe des projets à faible cout de type SmallSat (moins de 20 millions US$).
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Space Flight LaboratoryObservatoire spatial
| Organisation |
NASA - Marshall |
|---|---|
| Constructeur |
Naval Research Laboratory Space Flight Laboratory |
| Programme | Pioneers |
| Domaine | Sursaut gamma court, astronomie multimessager |
| Type de mission | Observatoire gamma grand champ |
| Statut | Développement |
| Lancement | vers 2027 |
| Durée de vie | 1 an (mission primaire) |
| Masse au lancement | ~305 kg |
|---|---|
| Masse instruments | ~144 kg |
| Contrôle d'attitude | Stabilisé sur trois axes |
| Source d'énergie | Panneaux solaires |
| Puissance électrique | 82 W. |
| Orbite | orbite basse |
|---|---|
| Altitude | 365 à 545 km |
| Inclinaison | 0 à 60 ° |
| Superficie | 3000 cm² |
|---|---|
| Longueur d'onde | rayons gamma : 30-1000 keV |
Contexte
Détection des sursauts gamma courts
Les sursauts gamma courts sont parmi les phénomènes astrophysiques existants les plus énergétiques. Ils sont produits par la fusion d'étoiles à neutrons. Ces événements génèrent des ondes gravitationnelles qui peuvent être détectés par des observatoires terrestres comme LIGO et VIRGO. La détection des sursauts gamma courts, qui ne peut se faire que depuis l'espace (les rayons gamma sont bloqués par l'atmosphère terrestre), est rendue difficile par la rareté de ces événements, leur brièveté et la nécessité d'utiliser successivement plusieurs instruments pour déterminer leur origine : un détecteur gamma grand champ pour déterminer l'émission initiale mais avec un positionnement de l'origine très imprécis (quelques degrés), puis des télescopes observant dans le rayonnement X, infrarouge et visible, pour détecter et localiser la contrepartie électromagnétique d'une durée elle-même relativement courte. Cette astronomie multimessager a été mis en œuvre par plusieurs observatoires spatiaux comme Swift ou SVOM. le détecteur de sursauts gamma le plus performant est observatoire spatial Fermi dont l'instrument GBM avait en 2021 détecté déjà plus de 3000 sursauts gamma.
Des progrès significatifs ont été réalisés ces dernières décennies dans le domaine des photomultiplicateurs en silicium (SiPM) utilisés par les détecteurs de rayons gamma. StarBurst est un micro-observatoire gamma, qui pour une fraction du coût des missions précédentes doit permettre de détecter chaque année quatre à cinq fois plus de sursauts gamma que GBM grâce à un champ de vue cinq fois plus étendu. Sa conception dérive largement de l'instrument GBM de l'observatoire Fermi et des instruments Glowbug et BurstCube[1].
Le programme Pioneers
StarBurst est une mission spatiale du programme Pioneers proposée par le Centre de vol spatial Marshall (établissement de la NASA). en partenariat avec le Naval Research Laboratory qui fournit la charge utile en coopération avec l'Université de l'Alabama et l'University Space Research Alliance. Le Space Flight Laboratory (SFL) à l'Institut universitaire d’études aérospatiales (UTIAS) de l'Université de Toronto fournit la plateforme. Le programme Pioneers a été créé en 2020 pour financer des missions d'astrophysique à cout réduit (moins de 20 millions US$) donnant l'opportunité à des chercheurs en début ou en milieu de carrière de développer des concepts originaux. Ce cout réduit est rendu possible d'une part par la multiplication de satellites miniaturisés (internet, observation de la Terre) qui ont contribué à l'apparition de plateformes (bus) peu couteuses et prêtes à l'emploi et d'autre part par la décision d'utiliser pour ce programme des instruments/télescopes développés par d'autres agences au lieu de développer des instruments pour la mission[2].
Objectifs de la mission
Les objectifs scientifiques de la mission sont, à partir des caractéristiques temporelles et spectrales des sursauts gamma détectés de[3] :
- Déterminer les progéniteurs des sursauts gamma courts
- Étudier les rémanents de la fusion d'étoiles à neutrons ;
- Déterminer l'équation d'état des étoiles à neutrons ;
- Étudier la structure des jets relativistes produits lors de la fusion d'étoiles à neutrons.
Historique du projet
StarBurst est une des quatre missions sélectionnées en 2021 dans le cadre du nouveau programme Pioneers. Les trois autres missions sont Aspera, un télescope observant dans l'ultraviolet dans le but d'étudier l'évolution des galaxies, Pandora un télescope spatial dédié à la caractérisation de l'atmosphère des exoplanètes et PUEO, une expérience embarquée sous ballon stratosphérique dans le but de détecter les neutrinos à très haute énergie[4].
Caractéristiques techniques
StarBurst est un engin spatial stabilisé sur trois axes de forme approximativement cubique d'environ 1 mètre de côté composé de deux sous-ensembles superposés constitués par la plateforme et la charge utile. Sa masse est d'environ 304 kg dont 144 kg pour la charge utile. L'énergie est fournie par des panneaux solaires déployés en orbite (l'envergure atteint alors 3,7 mètres), qui produisent 82 Watts. Les échanges avec le sol passent par le réseau de satellites TDRS pour les données transmises avec une latence faible et utilisent le réseau de stations KSAT-Lite pour les autres échanges[3],[5].
La charge utile de StarBurst comprend 12 scintillateurs de type NaI(TI) qui recouvrent la partie supérieure (4 scintillateurs) et les quatre côtés (2 scintillateurs par côté) du sous-ensemble constitué par la charge utile. Ainsi le champ de vue comprend l'ensemble du ciel non occulté par la Terre. Chaque scintillateur a une superficie de 24x1,3 centimètres et est haut de 24 centimètres. Les photons générés par un scintillateur sont détectés par un réseau de 2 x 38 photomultiplicateurs au silicium (SiPM) encapsulés dans un blindage en aluminium qui intercepte les rayons ayant une énergie inférieure à 30 keV. La surface totale du détecteur est de 3000 cm² soit cinq fois celle de l'instrument GBM. L'instrument détecte les rayons dont l'énergie est comprise entre 30 et 1000 keV. Sa résolution temporelle relative est de 2 microsecondes et absolue est de 8 milliseconde. Il permet de localiser l'origine du rayonnement avec une précision de 8° (émission d'un photon/cm² durant 64 millisecondes) à 3° (émission de trois photons/cm² durant 64 millisecondes)[1],[3].
Déroulement de la mission
Il est prévu que StarBurst soit lancé dans l'espace en 2027 en tant que charge utile secondaire fixée sur un dispenseur de type ESPA. L'observatoire spatial doit être placé sur une orbite basse (altitude entre 365 et 545 kilomètres) avec une inclinaison orbitale qui doit être comprise entre 00 et 60°. Durant la mission, l'observatoire est maintenu en permanence pointé vers le zénith. La durée de la mission primaire est de un an. Durant ce laps de temps, Starburst devrait détecter 158 sursauts gamma courts selon les simulations effectuées au sol alors que l'instrument GRB de l'observatoire Fermi n'en détecte en moyenne que 8,6 sur une année. La phase opérationnelle de la mission devrait coïncider avec la cinquième campagne d'observation de l'observatoire d'ondes gravitationnelles LIGO[1],[3].
