Livraison de l'instrument EUI
02/06/2017

Le Centre Spatial de Liège livre l’instrument EUI (Extreme UV Imager) de la mission Solar Orbiter de l’ESA, dédié à l’observation et la compréhension du Soleil.

 

Plus de 10 ans de travail ont été nécessaires aux scientifiques, ingénieurs et techniciens du CSL pour réaliser cet instrument.

 

 

La Mission Solar Orbiter

 

Solar Orbiter payload s

 

Solar Orbiter est une mission scientifique de l'Agence Spatiale Européenne (ESA) dédiée à la physique solaire. Elle va permettre d’étudier le Soleil avec une précision et un point de vue sans précédent et ainsi d’aider à répondre à certaines questions clés sur le comportement de notre soleil.

 

Solar Orbiter emporte ainsi 10 instruments scientifiques, qui sont de deux types et seront utilisés de manière complémentaire. Les instruments in situ, situés le long d’un bras déployable, permettront d’analyser le plasma et les particules énergétiques dans l’héliosphère, ainsi que le champ magnétique associé. Les instruments remote sensing, situés à l’intérieur du satellite et protégé par un bouclier thermique, prendront des images les rayons X, dans l’extrême-ultraviolet (EUV) et dans le visible, avec une résolution spatiale et temporelle jamais atteinte auparavant.

 

Les instruments de Solar Orbiter sont fournis à l’ESA par des instituts européens et américains sous la responsabilité de Principal Investigators (PI) et financés par les états membres de l'ESA et par les Etats-Unis. Le satellite est quant à lui sous la responsabilité d’Airbus Defense System (ADS) UK et financé par l’ESA.

 

Avant de commencer sa phase opérationnelle, d’une durée de 7 ans, l’orbite de croisière de la mission Solar Orbiter va utiliser l’assistance gravitationnelle de la Terre et de Venus pour lui permettre de se rapprocher à moins de 43 millions de km du Soleil (1/3 de la distance Soleil - Terre) et de sortir du plan de l’écliptique.

 

La proximité avec le soleil va permettre aux de mesurer ce qui se passe à l’intérieur de l’héliosphère, mais également d’obtenir des résolutions spatiales et temporelles jamais atteintes mais indispensables pour étudier dans le détail les phénomènes multiples, variés et très changeants qui se déroulent dans les couches extérieures du soleil depuis la photosphère jusqu’à la couronne mais aussi des phénomènes inaccessibles par le rayonnement qui se déroulent sous la surface.

 

L'orbite fortement inclinée va, elle, permettre aux instruments remote sensing d'observer les régions polaires du Soleil, qui ne sont pas visibles depuis la Terre et où les phénomènes physiques sont très différents de ceux à plus basse latitude, et ainsi permettre de mieux comprendre la dynamo interne du Soleil et l’origine de son champ magnétique. Solar Orbiter devrait également aider à mieux comprendre le cycle d’activité de 11 ans du Soleil, via l’observation des taches et éruptions solaires sous diverses latitudes et avec une très haute résolution, mais aussi de par les observations qui s’étaleront sur une période allant d’un maximum à un minimum de ce cycle solaire. Les images prises par les instruments remote sensing à différentes longueurs d’onde permettent également d’observer les différentes couches de la couronne solaire ayant des températures très différentes, depuis le visible qui montre la matière photosphérique à des températures de 5.500 degrés jusqu’aux plus courtes longueurs d’onde, qui permettent d’observer des couches plus élevées de la couronne où des phénomènes ont lieu avec des températures de plusieurs millions de degrés.

 

L’analyse par les instruments in-situ du vent solaire composé de particules chargées éjectées par le soleil, relativement stable dans le temps, et des particules énergétiques solaires, qui sont extrêmement variables en énergie et dans le temps et sont émises lors de phénomènes actifs comme les éjections de masses coronales (CME, Coronal Mass Ejection) permettront également d’en apprendre plus sur l’activité solaire.

 

Les participations du CSL dans la mission Solar Orbiter

 

Le Centre Spatial de Liège a participé au développement de trois instruments scientifiques pour la mission Solar Orbiter, mais a également été impliqué dans le test d’éléments critiques du satellite.

 

EUI Extreme UV Imager :

 

EUI1s

-       Cet instrument fournira des séquences d'images dans l’EUV de la couronne solaire. Il servira à la fois d’imageur contextuel mais permettra également d’observer des couches et phénomènes se déroulant à différentes températures et profondeurs dans la couronne solaire.

-       Le CSL est le maître d’œuvre du projet depuis le début, et a également aussi été en charge de l’assemblage et des tests de cet instrument.

 

SoloHI Heliospheric Imager :

-       Cet instrument va observer l’héliosphère et permettre d’analyser les variations du vent solaire sur un large champ de vue. Il permettra également de suivre les éjections de masse coronale (CME) et de faire le lien avec les observations des autres instruments de Solar Orbiter.

-       Le CSL a été responsable des tests de lumière parasite ainsi que d’une partie du design optique de SOLO HI.

 

STIX Spectromètre à rayons X / Télescope :

-       Cet instrument fournira des images émises dans les rayons X par le soleil, donnant ainsi des informations sur le moment, l'emplacement, l'intensité et les spectres des électrons accélérés ainsi que sur le plasma solaire à haute température.

-       Le CSL a été responsable du test de la fenêtre d’entrée, qui est un des éléments clé de cet instrument.

 

Boom :

-       Les instruments in-situ sont situés le long d’un bras déployable de 4,4 m de long afin d’être séparés du corps du satellite et des perturbations magnétiques de celui.

-       Le CSL a été en charge du test thermique de ce bras dans une de ses cuves à vide.

 

Heat shield :

-       En raison de son orbite, qui s’approche très près du soleil, la mission Solar Orbiter sera soumise à un flux thermique près de 11 fois supérieur à celui observé sur la Terre. Le satellite est ainsi muni d’un bouclier thermique, le heat shield, qui le protège de la plus grande partie de ce flux solaire. Ce bouclier dispose d’ouvertures protégées par des portes, permettant aux instruments remote sensing d’observer le soleil.

-       Le CSL a été en charge d’une partie des tests thermiques de ce bouclier.

 

L’instrument Extreme Ultraviolet Imager (EUI) pour la mission Solar Orbiter

 

Le Centre Spatial de Liège (CSL) est l’institut responsable d’un consortium de plusieurs instituts européens qui ont réalisés l’instrument Extreme UV Imager (EUI), un des instruments remote sensing de Solar Orbiter. Ce consortium, dont le PI est le Professeur Pierre Rochus, est composé du Royal Observatory of Belgium (ROB, Belgique), de l'Institut d'Astrophysique Spatiale (IAS, France) et de l'Institut d'Optique (IO, France), du Max Planck Institute for Solar System Research (MPS, Allemagne), du Physikalisch-Meteorologisches Observatorium Davos et World Radiation Center (PMOD / WRC, Suisse) et du Mullard Space Science Laboraty (MSSL-UCL, Royaume-Uni).

 

La contribution belge de l’instrument EUI a été financée par le Bureau Fédéral de la Politique Scientifique Belge (BELSPO) avec notamment le financement des industriels belges qui ont fournis certains des sous-systèmes de l'instrument (détecteurs, caméras, portes).

 

Les objectifs scientifiques de la mission Solar Orbiter dépendent essentiellement de l’imageur Extrême Ultraviolet développé par le CSL.

 

L’instrument EUI comprend en effet deux imageurs à haute résolution (HRI) et un imageur Full Sun (FSI) qui observeront le Soleil sur trois bandes spectrales. Le FSI et les deux HRI prendront des images à des longueurs d’ondes situées dans l’ultraviolet (17.4 nm, 30.4 nm et 121.6 nm), qui permettront ainsi d’observer des couches et phénomènes se déroulant à différentes températures et profondeurs dans la couronne solaire.

-       Le canal FSI va permettre d’imager en continu le disque solaire dans deux bandes spectrales, avec une résolution spatiale et une cadence capable de capturer la majorité des phénomènes se produisant à la fois à une échelle globale mais aussi à une plus petite échelle.

-       Les deux canaux HRI ont quant à eux un champ de vue beaucoup plus restreint permettant une plus haute cadence et fournissant une résolution spatiale beaucoup plus élevée mais ne fournissant des images que d’une portion du soleil (1/5ème de sa surface). Leurs bandes spectrales ont été sélectionnées pour étudier la couronne solaire à deux températures différentes, correspondant à deux lignes d'émission de la chromosphère, ce qui devrait permettre d'établir une relation spatiale et temporelle entre les structures observées au fur et à mesure qu'elles se développent dans les différentes couches de l'atmosphère solaire.

 

Les trois canaux de l’instrument EUI sont montés dans une structure en carbone, l’Optical Bench Assembly (OBS), et sont basés sur des systèmes à miroirs en incidence presque normale. Les rayons sont réfléchis par les surfaces optiques via des revêtements multicouches développés spécifiquement pour les longueurs d’ondes sélectionnées, la sélection spectrale de chaque canal étant obtenue par une combinaison de la réflectivité de ces multicouches et de filtres passe-bande spécifiques. Ces filtres permettent également de rejeter le rayonnement visible et infrarouge, et donc de limiter l’impact thermique, dû à la proximité du soleil, à l’intérieur de l’instrument.

 

Les images sont ensuite capturées par des caméras de haute technologie, développées à Liège par la société Deltatec, qui opèrent des détecteurs spécialement conçus pour l’observation dans ces longueurs d’ondes, par la société CMOSIS basée à Antwerpen. L’entrée de chacun des trois canaux de l’instrument EUI est dotée d’un baffle réfléchissant permettant de rejeter le flux solaire, mais également d’une porte qui permet de limiter l’impact thermique du flux solaire lorsque l’instrument ne fonctionne pas.

 

Gestion des données à bord

 

L’instrument EUI comporte un boitier électronique dédié (le CEB : Common Electronic Box) qui utilise un logiciel de vol (EDM : EUI Data Manager) développé spécifiquement pour gérer la quantité d’images prises par l’instrument, et qui permet d’optimiser le très faible débit de données que le satellite Solar Orbiter pourra nous envoyer, du fait de son orbite assez lointaine. Ce logiciel effectue ainsi un prétraitement, une sélection, une priorisation et une compression des images avant envoi vers l’ordinateur de bord du satellite. Le boitier électronique CEB de EUI contient également une mémoire interne qui permet de stocker temporairement les images après traitement. Lorsque la priorité d'une image dépasse un certain seuil, elle est compactée et ensuite envoyée à la mémoire du satellite. A défaut de priorité, les images sont stockées et envoyées par ordre d’arrivée.

 

Exploitation des données au sol

 

Observatoire Royal de Belgique (ORB), situé à Uccle, sera responsable de la gestion des opérations après le lancement de Solar Orbiter. David Berghmans supervisera alors le  Centre de données, EUI Data Center (EDC), et deviendra dès lors le nouveau Principal Investigator. Il sera le point de contact unique pour les activités de planification de l’instrument EUI et pour l’archivage des données produites par l’instrument EUI. Cet archivage se fera au Centre Européen d'Astronomie Spatiale (ESAC, Madrid), qui est le centre de gestion des données des missions d’observation spatiales de l'ESA où toutes les données scientifiques produites en vol sont archivées et rendues accessibles. Le Centre de données EUI (EDC) sera aussi chargé de la maintenance du logiciel qui traitera les images EUI depuis les données de télémétrie reçues aux images finales archivées.

 

Lancement de Solar Orbiter

 

Le CSL livrera le modèle de vol de l’instrument EUI dans les prochains jours, en vue de son installation sur le satellite au début de l’été 2017. Le lancement de Solar Orbiter depuis le Cap Canaveral en Floride est prévu en octobre 2018 ou Février 2019, à bord d’une fusée ATLAS.