Compton Spectrometer and Imager

L'étude du rayonnement gamma mou (autour de 1 MeV) émis par les sources astronomiques est relativement peu avancée du fait de difficultés d'observation liées à un bruit de fond particulièrement élevé dans ces longueurs d'ondes. 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 en astronomie multimessager^[1].

La mission COSI doit recenser et caractériser les sources galactiques (de notre galaxie) de rayonnement gamma doux (0,2 à 5 MeV) avec les objectifs suivants^[2],[3] :

• étudier les émissions produites par l'annihilation matière-antimatière pour déterminer l'origine des positons.
• cartographier les émissions des éléments radioactifs pour déterminer les régions de la galaxie où s'effectue la nucléosynthèse.
• obtenir des informations sur les environnements extrêmes en effectuant des mesures de polarisation
• détecter et localiser les sources multi-messagers.

Au cours de la décennie 2000, l'Université de Berkeley (Californie) développe un télescope gamma destiné à mesurer la polarisation du rayonnement gamma qui doit être embarqué sur un ballon stratosphérique. Pour ces observations, le télescope, qui est baptisé Compton Spectrometer and Imager (COSI) et observe le rayonnement gamma mou (0,2 à 5 MeV), utilise des détecteurs en germanium et exploite la diffusion Compton. L'instrument est testé à plusieurs reprises à bord d'un ballon 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 un sursaut gamma^[4].

En 2019, la NASA lance la sélection de la prochaine mission de son programme 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 le centre de vol spatial Goddard (établissement de la NASA)^[5].

La NASA sélectionne début juillet 2024 le lanceur Falcon 9 développé par SpaceX pour la mise en orbite de COSI. Le lancement, qui est facturé 69 millions US$, doit avoir lieu en août 2027 depuis la base de lancement de Cape Canaveral^[6].

Le télescope spatial COSI utilise une plateforme stabilisée 3 axes et alimentée en énergie par des panneaux solaires déployés en orbite. Cette plateforme de type LEOStar-2 est fournie par Northrop 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 type Compton compact. Le télescope repose sur une matrice de 16 détecteurs à semi-conducteur en germanium 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 un cryostat dont la température est maintenue en dessous de ce seuil grâce à un cryo-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 de scintillateurs en germanate de bismuth. Les détecteurs en germanium, qui ont été développés par le Laboratoire national Lawrence-Berkeley, ont une dimension de 8 x 8 x 1,5 centimètres. Chacun comporte 64 électrodes en aluminium espacées de 1,162 millimètres et déposées sur leur deux faces orthogonalement l'une par rapport à l'autre. Ces électrodes, dont les signaux sont traités par des circuits intégrés de type ASIC à 32 canaux (96 ASIC en tout), permettent de reconstituer une image tri-dimensionnelle 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 spatial CGRO). Ces caractéristiques sont résumées dans le tableau ci-dessous^[10] :

Le télescope COSI sera placé sur une orbite quasi équatoriale (inclinaison orbitale proche de 0°) pour réduire le temps passé dans l'anomalie magnétique de l'Atlantique sud génératrice de bruit de fond. Le champ 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]

• (en) John A. Tomsick, Steven E. Boggs, Andreas Zoglauer, Dieter Hartmann, Marco Ajello, Eric Burns, Chris Fryer, Chris Karwin, Carolyn Kierans, Alexander Lowell, Julien Malzac, Jarred Roberts, Pascal Saint-Hilaire, Albert Shih, Thomas Siegert, Clio Sleator et al., « The Compton Spectrometer and Imager », arXiv,‎ aout 2023, p. 1-8 (lire en ligne)
  Description de la mission COSI.

• Astronomie gamma
• Programme Explorer
• Diffusion Compton Processus physique exploité par le télescope
• CGRO/COMPTEL Prédécesseur de COSI

• (en) Site scientifique officiel de l'Université de Berkeley.
• (en) John Tomsick, « The Compton Spectrometer and Imager (COSI) », sur COSI, Université de Berkeley, 23 juin 2020

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