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TH HÈ ÈS SE E
En vue de l'obtention du
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Délivré par
l'Université Toulouse III – Paul Sabatier
Discipline ou spécialité :
Astrophysique - Instrumentation
JURY
Ecole doctorale :
Science de l'Univers, de l'Environnement et de l'Espace (SDU2E)
Unité de recherche :
Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (UMR 5277)
Présentée et soutenue par
Maxime Chauvin
Le 28 février 2011
Titre :
Simulation d’un télescope Wolter-I grande focale pour l’astronomie X-dur
Application aux projets spatiaux Simbol-X et PheniX
Président :
Rapporteurs :
Examinateurs :
Directeur de thèse :
Dominique Toublanc
Philippe Laurent
Pietro Ubertini
Stéphane Paltani
Jean-Luc Atteia
Olivier La Marle
Hélène Boithias
Jean-Pierre Roques
Professeur, UPS/IRAP, Toulouse, France
Ingénieur CEA, CEA/IRFU, Saclay, France
Dirigente di ricerca, IASF/INAF, Rome, Italie
MER, Observatoire de Genève, Suisse
Astronome, IRAP, Toulouse, France
Ingénieur CNES, Paris, France
Ingénieur Astrium, Toulouse, France
Directeur de recherche, IRAP, Toulouse, France

Résumé
L’avenir de l’astronomie X-dur repose sur le développement de nouveaux instruments per-
mettant la focalisation des photons d’une centaine de keV. En effet, la focalisation permet un
gain considérable en sensibilité et en résolution angulaire. Obtenue par réflexions rasantes sur
des miroirs Wolter-I, son utilisation jusqu’ici limitée à la dizaine de keV peut être étendue à
plus haute énergie grâce à un revêtement spécifique et une importante focale. L’observation du
rayonnement X ne pouvant se faire qu’au delà de notre atmosphère, les dimensions des obser-
vatoires, et donc leur focale, étaient limitées par les capacités des lanceurs. Depuis quelques
années, de nouvelles technologies comme les mats déployables ou le vol en formation sont à
l’étude pour s’affranchir de cette limite.
Afin de mieux comprendre le fonctionnement de ces télescopes, je détaille la géométrie des
miroirs Wolter-I, la réflectivité de leur revêtement, la détection dans un semi-conducteur ainsi
que la dynamique liée aux mats déployables et au vol en formation. Ces télescopes sont des
systèmes optiques complexes, sujets à déformation au cours d’une observation et nécessitent
une métrologie précise pour mesurer ces déformations afin de corriger l’image.
Pour en étudier les performances, j’ai développé un code reproduisant le fonctionnement
réel du télescope. Chaque photon est traité individuellement, son parcours et ses interactions
dépendent de l’évolution de la structure du télescope au cours du temps. Chaque élément du
télescope est modélisé, ainsi que la métrologie nécessaire à la restitution de sa dynamique. Le
parcours du photon est calculé dans un espace vectoriel à trois dimensions, en utilisant des
méthodes Monte-Carlo pour reproduire les défauts et la réflectivité des miroirs ainsi que les
interactions dans le détecteur. La simulation fournit des images et des spectres en énergie, dont
on peut extraire la résolution angulaire, le champ de vue, la surface efficace et l’efficacité de
détection.
En 2006, la mission d’astronomie Simbol-X fut sélectionnée dans le cadre de l’étude du
vol en formation. Ce concept permet d’atteindre une grande distance focale en distribuant le
télescope sur deux satellites. Cependant, la dynamique particulière liée au vol en formation a
des conséquences sur les performances du télescope et nécessite d’être maitrisée. Dans le cadre
de cette mission, ma simulation a permis d’étudier les conséquences de chaque mouvement
des satellites sur les performances du télescope ainsi que les conséquences des défauts de la
métrologie sur la correction des images. Cette étude a apporté des contraintes sur le contrôle
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ii RÉSUMÉ
d’attitude de chaque satellite et sur la précision de la métrologie nécessaire. Au regard des
résultats obtenus, je démontre la faisabilité d’un tel télescope.
Au delà de la mission Simbol-X, je me suis intéressé à l’optimisation des performances d’un
télescope X-dur. En utilisant ma simulation, j’ai étudié l’influence de chaque paramètre sur les
performances du télescope. Ces études ont mené à la conception du projet PheniX, un télescope
opérant dans la gamme 1-200 keV, proposé par le Centre d’Etude Spatial des Rayonnements
dans le cadre de l’appel d’offre M3 de l’Agence Spatiale Européenne. Equipé d’un nouveau
type de revêtement et d’une focale de 40 mètres obtenue avec un mât déployable, ce télescope
affiche un niveau de performance à 100 keV plus de 100 fois supérieur aux missions actuelles.
Je présente ce projet ainsi que ses performances attendues, dans la dernière partie de ma thèse.

Abstract
The future of hard X-ray astronomy relies on the development of new instruments able to
focus photons of a hundred keV. Indeed, focalization allows an important improvement in sen-
sitivity and angular resolution. Achieved by grazing incidence reflections on Wolter-I mirrors,
its use currently limited to tens of keV can be extended to higher energies thanks to a specific
coating and a large focal length. As X-ray observations are only possible above the atmosphere,
the size of the observatories, and hence their focal length, was limited by the launcher capacity.
Over the past few years, different technologies like extendible masts or formation flight have
been studied to go beyond this limit.
To gain a better understanding of these telescopes, I detail the Wolter-I mirror geometry,
their coating reflectivity, the detection in semi-conductor as well as the dynamic related to ex-
tendible masts and formation flight. These telescopes are complex optical systems, subject to
deformations during observation and need a fine metrology system to measure these deforma-
tions for image correction.
To study their performance, I developed a code reproducing the real functioning of such a
telescope. Each photon is considered individually, its path and interactions depend on the be-
havior of the telescope structure along with time. Each component of the telescope is modeled,
as well as the metrology needed for the restitution of its dynamic. The path of the photon is
computed in a three dimensional vector space, using Monte-Carlo methods to reproduce the
mirror defaults, their reflectivity and the interactions in the detector. The simulation produces
images and energy spectra, from which we can infer the angular resolution, the field of view,
the effective area and the detection efficiency.
In 2006, the Simbol-X mission was selected in the framework of the formation flight stu-
dies. This concept allows a large focal length, the telescope being distributed on two independent
spacecrafts. However, the particular dynamic of the formation flight has consequences on the
telescope performance and must be controlled. In the framework of this mission, my simulation
tool was used to study the consequence of the motion of each satellite on the telescope perfor-
mance and the influence of the metrology errors on the image reconstruction. This study led to
the attitude control specification of each spacecraft and to the metrology accuracy specification.
Considering these results, I demonstrate the feasibility of this kind of telescope.
Beyond the Simbol-X mission, I have investigated the performance optimization of a hard X-
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