Une caméra construite en grande partie à partir de composants commerciaux fonctionne en orbite depuis environ deux ans, et ses développeurs soutiennent que la conception peut lever l’un des plus grands obstacles financiers de l’astronomie spatiale : le prix d’un détecteur ultraviolet de qualité vol.
Les caméras d’astronomie de qualité spatiale aux performances éprouvées en orbite sont chères depuis longtemps, et les observations ultraviolettes ont en outre été freinées par la faible efficacité quantique de la plupart des capteurs à ces longueurs d’onde. Le programme LUVCam, mené depuis le Dunlap Institute de l’université de Toronto, s’articule autour d’un capteur CMOS grand format sur étagère, le Gpixel GSENSE4040BSI, intégré avec une électronique de lecture, un firmware et une structure sur mesure. Ce détecteur de 4096 par 4096 pixels, doté de pixels de 9 microns, atteint une efficacité quantique maximale de 90 % à 580 nanomètres et de 55 % dans l’ultraviolet, entre 200 et 300 nanomètres, une plage où les capteurs en silicium ont historiquement été inefficaces. Le bruit de lecture mesuré en mode haut gain est de 1,7 électron, inférieur à la spécification du fabricant, qui est de 2,3. La caméra n’est pas soumise à l’ITAR et, selon les auteurs, peu coûteuse à fabriquer.
L’argument du coût repose sur un déséquilibre dans l’économie de l’astronomie spatiale. Les coûts de lancement ont baissé de plus d’un ordre de grandeur, au point qu’une plateforme satellite et un lancement pour un télescope d’un demi-mètre peuvent être obtenus pour moins de 5 millions de dollars. Les prix des instruments n’ont pas suivi. Un atelier organisé en janvier 2023 par l’American Astronomical Society a identifié l’absence d’une caméra UV/optique à bas coût et hautes performances bénéficiant d’un héritage spatial comme l’un des obstacles critiques, note l’article.
La première LUVCam a volé comme démonstrateur technologique à bord de GRBBeta, un CubeSat 2U conçu comme banc d’essai pour détecteurs de sursauts gamma, lors du vol inaugural de la fusée Ariane 6, le 9 juillet 2024. La charge utile, de 96 par 96 par 44,5 millimètres et de 287 grammes, comprend un minuscule télescope UV sur mesure replié dans le volume restant : un triplet de 55,77 millimètres de focale, avec une bande passante de 240 à 310 nanomètres, un champ de vue de 9,5 degrés et une ouverture d’entrée plus petite que le capteur lui-même. L’équipe avait d’abord prévu une caméra scellée avec une source LED de champ plat, puis a constaté qu’un panneau latéral de GRBBeta ne portait ni cellules solaires ni antennes et l’a remplacé par un radiateur et une ouverture vers le ciel.
Les exigences de la démonstration technologique étaient délibérément modestes : vérifier les performances en matière de bruit, la robustesse aux radiations et la survie au lancement et aux cycles thermiques, fonctionner pendant au moins 90 jours et coûter au plus 50 000 dollars canadiens, hors ingénierie non récurrente. De la conception à la livraison, il s’est écoulé moins d’un an. La caméra a atteint le niveau de maturité technologique 7, ce qui signifie que la technologie a été démontrée en environnement spatial, et sa caractérisation est en cours.
Les tests de radiation ont guidé la conception. Lors d’une irradiation protonique accélérée à l’installation TRIUMF de Vancouver, un capteur frère plus petit a vu son bruit de lecture environ doubler après une dose totale de 100 kilorads, et son courant d’obscurité a été multiplié par environ 60, tandis que moins de 0,2 % des pixels devenaient non linéaires. Les auteurs concluent que ces effets sont gérables pour des missions de moins de 10 ans en orbite terrestre basse, tout en notant que le débit de dose, et pas seulement la dose totale, compte pour les dommages liés aux radiations.
Le contexte ultraviolet explique une partie de la conception. La plupart des télescopes UV en orbite au cours des 50 dernières années, y compris GALEX, utilisaient des détecteurs à galette de micro-canaux qui subissent une perte de gain localisée lorsqu’ils observent des sources brillantes. Le catalogue TD1 des flux ultraviolets stellaires contient des mesures de 31 215 étoiles, et les auteurs estiment qu’un télescope d’environ 20 millimètres d’ouverture, doté de revêtements modernes et d’un capteur à haute efficacité UV, pourrait approcher la sensibilité de l’instrument S2/68 de 27 centimètres qui a volé à bord de TD-1A dans les années 1970.
LUVCam est prévue pour plusieurs autres missions. Le résumé liste un second CubeSat de démonstration technologique dont le lancement est prévu en 2026, et la conclusion ajoute un nouveau vol orbital prévu fin 2027 avec le capteur éclairé par l’arrière, une électronique améliorée et une extension vers l’ultraviolet lointain. La caméra fournira également les deux caméras du plan focal de QUVIK, une mission d’astronomie des transitoires ultraviolets à deux canaux et le premier télescope spatial tchèque, un projet d’environ 30 millions d’euros dont le lancement est prévu en 2029 et qui visera les kilonovae, ces collisions d’étoiles à neutrons qui forgent des éléments plus lourds que le fer. Le Dunlap Institute décrit LUVCam comme sa première incursion dans l’instrumentation spatiale et affirme que les résultats éclaireront la mission QUVIK.
Les développeurs soutiennent que la plateforme de contrôle est conçue pour rester à jour à mesure que les capteurs s’améliorent, avec des itérations ultérieures prévues autour d’autres détecteurs de Gpixel, Sony et Fairchild Imaging. En maintenant une électronique substantiellement similaire entre les générations de capteurs, on préserve la base de qualification, tandis que le faible coût permet un taux de vol élevé. L’objectif, indique l’article, est un avenir proche dans lequel des institutions individuelles pourront concevoir, développer et lancer des télescopes de classe mondiale à faible coût et sur des échelles de temps rapides.
Traduit par Lydie