Les bolomètres de Planck-HFI

Qu'est-ce qu'un bolomètre ?

L'instrument haute fréquence de Planck observe la lumière dans le domaine des fréquences micro-ondes et infrarouge lointain avec 52 bolomètres. Les 20 bolomètres de type "toile d'araignée" sont sensibles uniquement à l'intensité de la lumière et 32 autres bolomètres sont sensibles également à la polarisation.

Dans la gamme de longueurs d'ondes de l'instrument HFI, les bolomètres sont les détecteurs les plus sensibles, relayés par les photoconducteurs à plus courtes longueurs d'ondes (en dessous de 200 microns) et par les détecteurs cohérents de type "radio" au-delà de quelques millimètres.

Un bolomètre consiste en un absorbeur métallique qui, dans le cas de HFI, a été construit en toile d'araignée pour diminuer son interaction avec les rayons cosmiques, et un thermomètre à semi-conducteur (germanium dopé par transmutation dans le cas de HFI).

L'énergie des photons absorbés est détectée par le thermomètre sous forme d'un changement de température et transformée en signal électrique grâce à une électronique de lecture adaptée. Le signal électrique peut alors être amplifié, numérisé et transmis par radio pour être interprété.

 

Légende : Schéma du fonctionnement d'un bolomètre

 

Besoin d'un environnement exceptionnel !

Pour augmenter la sensibilité et réduire les bruits (très sévères dans le domaine de micro-ondes), les bolomètres doivent être refroidis à des températures très proches du zéro absolu. Cela représente le défi technologique le plus ambitieux auquel la communauté Planck a dû faire face et en même temps un des plus grands succès de la mission.

La température choisie pour les bolomètres de Planck-HFI a été de 0.1 K (-273.05 °C) obtenue grâce à un système complexe à plusieurs niveaux cryogéniques qui permet au final d'obtenir cette température extrême avec une dilution hélium 3 - hélium 4. Ce système a montré des performances remarquables avec des fluctuations de l'étage à 0.1K de seulement quelques fractions de millionième de degré !

Grâce à une si bonne maîtrise de l'instrument, les bolomètres de HFI ont montré des performances jamais atteintes jusqu'à aujourd'hui par d'autres détecteurs utilisés dans le même domaine de longueurs d'onde. En effet, avec un seul détecteur de HFI, on peut mesurer sur la carte du rayonnement fossile des fluctuations de 2 millionièmes de degré seulement.

 

Légende :
À gauche : Vue en coupe de l'instrument HFI. En doré : Les cornets placés dans le plan focal collectent le rayonnement et le guident vers les bolomètres. En argenté : La dilution maintient les bolomètres à 100mK, leur température optimale de fonctionnement.
À droite : Photos de bolomètre de type toile d'araignée (au dessus, le thermomètre est au centre) ou sensible à la polarisation (en dessous, superposition des deux bolomètres à 90 degrés l'un de l'autre, avec leurs thermomètres au bord)

Crédits : ESA / medialab (gauche) et NASA / JPL (droite)