SIMBOL–X APC - Journées de Dourdan5 déc. 2003 SIMBOL–X Philippe Ferrando Service d’Astrophysique CEA et APC Rappel du projet (télescope à focalisation.

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1 SIMBOL–X APC - Journées de Dourdan5 déc. 2003 SIMBOL–X Philippe Ferrando Service d’Astrophysique CEA et APC Rappel du projet (télescope à focalisation jusqu’à 70 keV) Evolutions depuis les journées de Dieppe Quel rôle pour APC

2 SIMBOL–X APC - Journées de Dourdan5 déc. 2003 SIMBOL–X science goals Physics of accretion / ejection around Black Holes Physics of accretion / ejection around Black Holes Galactic Centre X–ray binaries in our Galaxy at very low accretion rates X-ray binaries up to a few Mpc Active Galactic Nuclei Acceleration processes, in compact and extended objects Acceleration processes, in compact and extended objects Quasars and micro-quasars jets Supernova remnants Clusters of galaxies Origin of the diffuse X-ray background Origin of the diffuse X-ray background

3 SIMBOL–X APC - Journées de Dourdan5 déc. 2003 Current high energy telescopes (ESA) 0.1–10 keV : focusing optics Spatial resolution : 15 arcsec High signal to noise XMM–Newton 15 keV–10 MeV : coded masks Spatial resolution : 12 arcmin Moderate signal to noise INTEGRAL

4 SIMBOL–X APC - Journées de Dourdan5 déc. 2003 Emission below 10 keV : thermal + non thermal emission Non thermal part crucial for physics of accretion and acceleration Current instruments characteristics have a “2 orders of magnitude” gap right at separation of thermal and non thermal emissions With SIMBOL–X, we propose to bridge this gap by bringing X–ray angular resolution and sensitivity into the hard X–ray domain, by focusing technique SIMBOL–X proposal Sensitivity : > 100 times better than IBIS (E < 50 keV) Angular resolution : < 30 arcsec HEW Spectral coverage : 0.5–70 keV

5 SIMBOL–X APC - Journées de Dourdan5 déc. 2003 INTEGRAL view of Galactic Center 20-40 keV (13 x 7.5°)

6 SIMBOL–X APC - Journées de Dourdan5 déc. 2003 INTEGRAL view at higher energy 1E 1740.7-2942 Sgr A* 40-70 keV (13 x 7.5°)

7 SIMBOL–X APC - Journées de Dourdan5 déc. 2003 The central 2 degrees > 20 keVtodayin 2011 with SIMBOL-X

8 SIMBOL–X APC - Journées de Dourdan5 déc. 2003 Specific objectives for SIMBOL–X Diffuse emission Sgr A* and Sgr A East Characteristics and origin of hot component ? Accretion mechanism in Sgr A* ? Is Sgr A East 2EG J1746-2852 ?

9 SIMBOL–X APC - Journées de Dourdan5 déc. 2003 Test accretion models for SgrA* SIMBOL-X 3 , 1 hour Liu & Melia, 2002

10 SIMBOL–X APC - Journées de Dourdan5 déc. 2003 |2|2 | 10 | 50 keV cts/sec/keV – 0.1 – 10 -4 – 10 -3 – 10 -2 8-10 keV continuum XMM (Decourchelle et al. in prep) 30 arcminutes Understanding the Galactic Centre non-thermal emission For that, SIMBOL–X will allow : - map the high energy emission - determine properly the non-thermal part of the spectrum 1 arcmin 2 centred on SgrA*, 100 ks

11 SIMBOL–X APC - Journées de Dourdan5 déc. 2003 Galactic and Extra Galactic jets SIMBOL-X simulation Pictor A (Chandra et 20 cm, Wilson et al. 2001) 50 ks observation

12 SIMBOL–X APC - Journées de Dourdan5 déc. 2003 SIMBOL-X and AGN’s NGC 5548 example Yaqoob et al. 2001 Chandra 83 ks, ASCA 57 ks 5 ks with SIMBOL-X Variability and broad band spectrum with SIMBOL-X

13 SIMBOL–X APC - Journées de Dourdan5 déc. 2003 SIMBOL–X and the diffuse X–ray background Comastri et al. 1999 Hasinger 2002 More than 80 % resolved below 10 keV But 50 % of energy in the 20-70 keV band ! Can be resolved in sources by SIMBOL–X

14 SIMBOL–X APC - Journées de Dourdan5 déc. 2003 Basically : long focal length telescope, using grazing incidence X–ray optics, with mirror and detectors mounted on two different spacecraft in formation flying. Mission concept Mirror Spacecraft Detector Spacecraft 30 m Characteristics Energy range :0.5–70 keV Resolution :< 130 eV @ 6 keV, 1 % @ 60 keV Angular resol. :< 30 arcsec (local. < 3 arcsec) Effective area :>550 cm 2 E < 35 keV 150 cm 2 @ 50 keV Sensitivity :5 10 -8 ph/cm 2 /s/keV (E < 40 keV) (5 , 100 ks,  E = E/2)

15 SIMBOL–X APC - Journées de Dourdan5 déc. 2003 The optics Focusing using a grazing incidence nested shells Wolter I mirror Long focal length, 30 m, for high reflectivity at high energy Nickel shells with single layer Pt coating, obtained by well proven electroforming replication method Low mass option : 200 kg mirror, obtained by reduced thickness of shells

16 SIMBOL–X APC - Journées de Dourdan5 déc. 2003 Min-max diameter : 290 / 600 mm Focal length : 30 m Min-max angles :0.07° / 0.142° Min-max shell thickness : 0.12 / 0.30 mm Number of shells :100 Mass of the mirror module :213 kg Optics characteristics  : ~ 30 arcsec HEW FOV : ~ 6 arcmin 580 cm 2 @ 30 keV

17 SIMBOL–X APC - Journées de Dourdan5 déc. 2003 Comparison with other telescopes 10 1 3 30 Focal length (metres) 1010021000 Diametres (cm) SIMBOL–X XMM Chandra XEUS SWIFT BeppoSAX 1.2° 0.3° 0.07°

18 SIMBOL–X APC - Journées de Dourdan5 déc. 2003 CdZnTe SDD < 15 keV> 15 keV Low energy detector (0.3–0.5 mm Silicium) High energy detector (2 mm CdZnTe) Optical filter Anticoincidence (CsI, BGO) Requirements Pixel size of ~ 500  m (gives good oversampling of the 4.4 mm PSF) Full diameter of focal plane : 6 cm Fast response detectors for full anticoincidence scheme Operation at room temperature Low energy response down to 0.5 keV Good spectral resolution for Iron line Focal plane basic design SDD CdZnTe

19 SIMBOL–X APC - Journées de Dourdan5 déc. 2003 Low energy detector Silicon Drift Detector matrix with integrated DEPFET Low power consumption Internal amplification Backside illuminated devices Room temperature operations Active Pixel Sensor type 100 % filling factor Adjustable pixel size (50  m to 1 mm) Fast, parallel readout possible

20 SIMBOL–X APC - Journées de Dourdan5 déc. 2003 High energy detector Array of pixellated CdZnTe matrices 2 mm thick room temperature operation pixel size 500  500  m 2 ASIC, derived from ISGRI CdTe plane, bumped on anodes Development and first tests started, with eV-Products detectors. Nominal focal plane 37 crystals 1 cm 2  2 mm each 16  16 pixels each ~ 10,000 channels

21 SIMBOL–X APC - Journées de Dourdan5 déc. 2003 Spectral resolution DEPFET single pixel, room temp. Single pixel in CZT array, 600  600  m  2 mm pixels, Bolotnikov et al. (2001), HEFT developt Goal : we will have at least -the resolution already obtained on a single pixel for SDD, -the resolution obtained in similar devices by other groups for CZT.

22 SIMBOL–X APC - Journées de Dourdan5 déc. 2003 Detector background and sensitivity calculation Use of CZT background curve from HXT Con–X @ L2 (Ramsey 2001) INTEGRAL sensitivity from Lebrun et al. (2003) Calculation for a detection at 3 , 1 Ms observing time,  E = E/2

23 SIMBOL–X APC - Journées de Dourdan5 déc. 2003 Formation flying requirements Pointed telescope Typical ~ 100 ks observations Relative positionning : ± 1 cm along the telescope axis ± 1 cm perpendicular Attitude reconstruction : knowledge of telescope axis position within ± 0.5 mm (~ 3 arcsec) at each time. Low background orbit Stay in middle class mission

24 SIMBOL–X APC - Journées de Dourdan5 déc. 2003 Formation flying study Being performed by CNES, to be presented end December Force to apply for 300 kg S/C at 30 m mN 1 10 0.1 2134 Orbital radius (10,000 km) Low Earth Orbit impossible for “low mass” S/C Max FEEP thrust XMM data (40 deg) : altitudes above 75,000 km required for minimum background  Orbit studied : ~ 90,000 km, circular 75,000 km

25 SIMBOL–X APC - Journées de Dourdan5 déc. 2003 Etude du CNES (petite) avant première Faisabilité démontrée avec technologie existante Deux « mini » satellites (~ 250 kg pour satellite plan focal) Le tout sera lancé par une Soyouz équipée d’un étage Fregat

26 SIMBOL–X APC - Journées de Dourdan5 déc. 2003 Alternative optics Formation flying approach gives flexibility in the optics design, especially for the focal length. Mirror developments are being made in the XEUS context, with R&D on segmented mirrors made of thin glass (Citterio et al. 5168-20) SIMBOL–X could be a test bed for these new developments, increasing effective area, and angular resolution Example of effective area,for : 50 m focal length 140 shells (100-30 cm diam.) Pt/C coating HEW is 10 arcsec Weight is 640 kg

27 SIMBOL–X APC - Journées de Dourdan5 déc. 2003 Statut (1) Recommendé pour démarrage phase A lors de la préparation de la prospective CNES 2002 Redémarrage de la prospective CNES début 2004, pour sélection avant l’été 2004 Sera proposé sous forme d’observatoire pour la communauté Pas impossible à lancer en 2011 comme proposé Quelques parties bien plus avancées qu’en 2002 : - Calculs réels de l’optique - Meilleure définition du plan focal, et démonstration du fonctionnement des détecteurs individuels - Faisabilité de la mission démontrée -Fort engagement des partenaires allemands et italiens

28 SIMBOL–X APC - Journées de Dourdan5 déc. 2003 Statut (2) D’autres points ne sont pas suffisamment clairs : -Partage en Europe du coût total -Segment sol non défini Travail à faire en préparation prospective CNES (sous 3 mois) : -Amplifier le soutien de la communauté -Présenter une configuration technique réaliste Travail à faire en phase A (2005 +) : -Optimiser les caractéristiques miroir / plan focal / mission -Démontrer la faisabilité totale -Effectuer le partage réel des tâches entre instituts

29 SIMBOL–X APC - Journées de Dourdan5 déc. 2003 La collaboration Actuellement : France : Service d’Astrophysique CEA Saclay / LUTH Meudon CESR Toulouse / LAOG Grenoble (et CNES…) Italie :Observatorio Astronomico di Brera Allemagne : MPE Garching & PNSensor GmbH / IAA Tübingen (Angleterre : Dept of Astronomy and Astrophysics, Leicester) A développer : APC !

30 SIMBOL–X APC - Journées de Dourdan5 déc. 2003 Rôles d’APC Un rôle scientifique : être un élément moteur sur quelques sujets ciblés Un rôle technique : assurer une partie du “segment sol”, qui pour cette mission de type observatoire doit comprendre : - gestion des appels d’offres - programmation des observations - mise en forme données brutes - suivi des étalonnages (sol et vol) - prétraitement scientifiques (spectres, images) - maintien d’une archive et distribution aux utilisateurs Les métiers : physiciens instrumentalistes et spécialistes du traitement de données,informaticiens Les hommes-ans : de quelques à quelques dizaines suivant les tâches qui seront prises