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Fait marquant

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



​Nous avons développé un refroidisseur dit « SubKelvin » qui sera retenu pour équiper les deux instruments du projet LiteBIRD, un satellite international réunissant le Japon, l'Europe et l'Amérique du Nord, dédié à l'étude des origines de l'Univers. Pour mener à bien ce projet, un nouveau matériau paramagnétique a été développé en partenariat avec des chercheurs du laboratoire Pheliqs de notre institut.

Publié le 17 septembre 2020
Afin de mieux comprendre l’histoire de notre univers, la cryogénie aux très basses températures, en l’occurrence 100  mK (-273,05 °C), est indispensable en astronomie pour refroidir les détecteurs et permettre l’observation de signaux extrêmement ténus. Pour maximiser les performances des détecteurs tout en limitant la complexité de l’instrument, il est capital de proposer une architecture cryogénique optimisée, incluant le refroidisseur lui-même, les liens thermiques et une structure adaptée.

LiteBIRD (Lite satellite for the studies of B-mode polarization and Inflation from cosmic background Radiation Detection) est un projet de satellite dédié à la mesure de la polarisation du fond cosmologique. Cette mesure est fondamentale pour comprendre les premiers instants de notre univers, juste après le big bang. L’hypothèse d’une phase d’augmentation rapide de la dimension de l’univers, appelée inflation, pourrait être validée – ou non – et affinée par une observation de cette polarisation. L’utilisation d’un télescope spatial permettra des mesures sur les grandes échelles angulaires, inaccessibles depuis la Terre. Au cours de sa mission prévue pour une durée d’au moins 3 ans, LiteBIRD va ainsi mesurer la lumière 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, les mesures seront réalisées sur plus de 15 longueurs d’ondes (de 34 GHz à 448 GHz). Pour ce faire, deux instruments seront embarqués (Image suivante).


Le satellite international Lite BIRD réunit le Japon, l'Europe et l'Amérique du Nord.

Tout d’abord le LFT (Low Frequency Telescope) sous la responsabilité de la JAXA, l’agence spatiale japonaise, qui est également responsable du satellite dans son ensemble. L’Europe 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 cryogénique intégrée au satellite qui offriront des premiers niveaux de refroidissement descendant à 4 Kelvin. Pour atteindre la sensibilité requise de 100 mK, les détecteurs devront être refroidis à très basse température. Les derniers maillons de cette chaîne de refroidissement, basés sur le principe de la désaimantation adiabatique, seront alors fournis par la NASA pour le refroidissement de 4 K 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 cœur 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 est obtenue grâce à des variations de champs magnétiques appliquées sur des matériaux magnétocaloriques. Les contraintes rencontrées seront d’arriver à drainer la chaleur des instruments sur des distances approchant le mètre, tout en limitant les apports de chaleurs liés aux supports mécaniques. Les contraintes de 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 Gallium, 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.


Schéma représentant les connexions thermiques au niveau de la charge utile à partir de 4 K.


Chaîne cryogénique et chemins thermiques montrant les connexions thermiques entre les deux instruments et les deux refroidisseurs. À droite, l’espace disponible pour les deux refroidisseurs entre les télescopes.

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