LiteBIRD: la cryogénie spatiale pour sonder les origines de l'univers

Publié par Redbran le 18/09/2020 à 13:00
Source: CEA IRIG

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Le DSBT a développé un refroidisseur dit "SubKelvin" qui sera retenu pour équiper les deux instruments du projet LiteBIRD, un projet de satellite dédié à l'étude des origines de l'Univers, et qui sera lancé dans l'espace en 2028. Pour mener à bien ce projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité de contribution,...), un nouveau matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...) paramagnétique a été développé en partenariat avec des chercheurs du laboratoire Pheliqs de notre institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.).

Afin de mieux comprendre l'histoire de notre univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.), la cryogénie (La cryogénie est l'étude et la production des basses températures (inférieures à -150 °C) dans le but de comprendre les phénomènes physiques qui s'y manifestent. Elle possède de très nombreuses...) aux très basses températures, en l'occurrence 100 mK (-273,05 °C), est indispensable en astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs propriétés physiques et chimiques. Elle ne doit pas être...) pour refroidir les détecteurs et permettre l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude...) de signaux extrêmement ténus. Pour maximiser les performances des détecteurs tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en limitant la complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par exemple par Anthony Wilden ou Edgar Morin), en physique, en biologie (par exemple par Henri Atlan), en...) de l'instrument, il est capital de proposer une architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.) cryogénique optimisée, incluant le refroidisseur lui-même, les liens thermiques et une structure adaptée.

LiteBIRD ([i]Lite satellite (Satellite peut faire référence à :) for the studies of B-mode polarization and Inflation from cosmic background Radiation Detection
) est un projet de satellite (Satellite peut faire référence à :) dédié à la mesure de la polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En...) du fond cosmologique qui sera lancé dans l'espace en 2028. Cette mesure est fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) pour comprendre les premiers instants de notre univers, juste après le big bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que...). L'hypothèse d'une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) d'augmentation rapide de la dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son...) de l'univers, appelée inflation, pourrait être validée - ou non - et affinée par une observation de cette polarisation. L'utilisation d'un télescope spatial (Un télescope spatial est un télescope placé au delà de l'atmosphère. Le télescope spatial présente l'avantage par rapport à son homologue terrestre de ne pas être...) permettra des mesures sur les grandes échelles angulaires, inaccessibles depuis la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus...). Au cours de sa mission prévue pour une durée d'au moins 3 ans, LiteBIRD va ainsi mesurer la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...) issue des premiers moments de l'univers il y a près de 14 milliards d'années. Pour discriminer parmi les perturbations rencontrées par la lumière pendant ce long voyage (Un voyage est un déplacement effectué vers un point plus ou moins éloigné dans un but personnel (tourisme) ou professionnel (affaires). Le voyage s'est considérablement...), les mesures seront réalisées sur plus de 15 longueurs d'ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie...) (de 34 GHz à 448 GHz). Pour ce faire, deux instruments seront embarqués (Image suivante).


Le satellite Lite BIRD sera lancé en 2028.

Tout d'abord le LFT (Low Frequency Telescope) sous la responsabilité de la JAXA (L'agence d'exploration aérospatiale japonaise (en japonais ?????????? — uch? k?k? kenky? kaihatsu kik? —, souvent dénommée par sa traduction anglaise Japan Aerospace eXploration Agency,...), l'agence spatiale (Une agence spatiale est un organisme d'État ayant pour but d'étudier l'Espace et de développer et gérer des programmes spatiaux) japonaise, qui est également responsable du satellite dans son ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...). L'Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme l’extrémité occidentale du continent eurasiatique, voire comme une des...) fournira ensuite le MHFT (Medium and High Frequency Telescope), sous la responsabilité du CNES (Centre national d'études spatiales). Ce dernier a en effet récemment accepté de prendre la responsabilité de l'instrument, donnant un rôle majeur à la contribution française. Les instruments s'appuieront sur une chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) cryogénique intégrée au satellite qui offriront des premiers niveaux de refroidissement descendant à 4 Kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par convention, les noms d'unité sont des noms communs et...). Pour atteindre la sensibilité requise de 100 mK, les détecteurs devront être refroidis à très basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle...). Les derniers maillons de cette chaîne de refroidissement, basés sur le principe de la désaimantation adiabatique (En thermodynamique, une transformation est dite adiabatique (du grec adiabatos, « qui ne peut être traversé ») si elle est effectuée sans qu'aucun échange de chaleur...), seront alors fournis par la NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace ») plus connue sous son abréviation NASA, est l'agence gouvernementale responsable du programme...) pour le refroidissement de 4 K (Le 4K est un format de définition d’image, principalement utilisé pour le cinéma.) à 2 K, et enfin par le DSBT de l'Irig pour la partie 2 K - 100 mK. En outre, l'expertise du DSBT sur des instruments à très basses températures lui permet d'être impliquée au coeur de l'architecture cryogénique du projet LiteBIRD tout en ayant la responsabilité des concepts à très basses températures.

Le refroidisseur développé par le DSBT (Image ci-dessous) et retenu pour équiper les deux instruments de ce projet est un refroidisseur dit "SubKelvin", particulièrement adapté à l'architecture de LiteBIRD.


Il est basé sur une succession de quatre étages de désaimantation adiabatique. Cette technique, bien adaptée aux basses températures et aux applications spatiales, est également appelée réfrigération magnétique ; la production de froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) est obtenue grâce à des variations de champs magnétiques appliquées sur des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) magnétocaloriques. Les contraintes rencontrées seront d'arriver à drainer la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) des instruments sur des distances approchant le mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international (SI). Il est défini, depuis 1983, comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en...), tout en limitant les apports de chaleurs liés aux supports mécaniques. Les contraintes de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse...) embarquée sur les satellites ont quant à elles amené le DSBT à développer et synthétiser un nouveau matériau paramagnétique en partenariat avec des chercheurs du laboratoire Pheliqs de notre institut. Ce matériau, le Grenat d'Ytterbium (L'Ytterbium est un élément chimique de symbole Yb et de numéro atomique 70.) Gallium (Le gallium est un élément chimique, de symbole Ga et de numéro atomique 31. Sa température de fusion (29,76 °C) lui permet de...), offre une capacité de production magnétocalorique inégalée se situant entre 2 K et 300 mK. L'expertise et le savoir-faire en cristallogenèse des chercheurs de Pheliqs ont ainsi été décisives au développement et à la production de ce refroidisseur.

Références:

Brasiliano P, Augusto D, Duval JM, Marin C, Bichaud E, Brison JP, Zhitomirsky M and Luchier N. YbGG material for adiabatic demagnetization in the 100 mK-3 K range. Cryogenics, 2020.

Duval JM, Prouvé T, Shirron P, Shinozaki K, Sekimoto Y, Hasebe T, Vermeulen G, André J, Hasumi M, Montier L and Mot B. LiteBIRD cryogenic chain: 100 mK cooling with mechanical coolers and ADRs. Journal of Low Temperature Physics, 2020.
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