ULTRASAT
# ULTRASAT

ULTRASAT (ULtraviolet TRansient Astronomy SATellite, « Satellite pour l'astronomie des phénomènes transitoires dans l'ultraviolet ») est un petit satellite à but astronomique dont le champ de vision sans précédent, de 210 degrés carrés, détectera et surveillera les événements astronomiques transitoires dans le proche ultraviolet, entre 220 et 280 nanomètres de longueur d'onde. ULTRASAT observera une grande portion de ciel, alternant tous les six mois entre l'hémisphère sud et l'hémisphère nord. Le satellite doit être lancé en orbite géosynchrone début 2025. Toutes les données d'ULTRASAT seront transmises au sol en temps réel. Lors de la détection d'un événement transitoire, ULTRASAT fournira une alerte dans les 20 minutes à d'autres télescopes, au sol et spatiaux, pour qu'ils soient dirigés vers la source pour une observation plus approfondie de l'événement dans d'autres longueur d'onde. Le volume de l'univers accessible à ULTRASAT pour la découverte de sources transitoires sera 300 fois plus important que celui du satellite à ultraviolet le plus sensible à ce jour, GALEX. Il est comparable à celui du plus grand télescope optique de surveillance transitoire au sol dont la mise en service est prévue en 2023, l'Observatoire Vera-C.-Rubin.

Le satellite ULTRASAT sera construit par Israel Aerospace Industries (IAI), tandis que les instruments scientifiques seront construit par la division El-Op d'Elbit Systems. ULTRASAT est financé et géré conjointement par l'Agence spatiale israélienne et le Weizmann Institute of Science (WIS), sous la direction scientifique du WIS, et avec une contribution significative du centre DESY de l'association Helmholtz. ULTRASAT est prévu pour une opération de 3 ans. Sa petite masse et son petit volume, 160 kg et moins d'un mètre cube, permet un lancement vers l'orbite du satellite en tant que charge utile secondaire d'une autre mission.

## Contexte

L'initiative ULTRASAT est née en 2010 de discussions entre l'Institut Weizmann (WIS) et les scientifiques de Caltech, avec l'Agence spatiale israélienne (ISA), pour répondre au besoin d'un télescope spatial à champ large pour étudier les événements astronomiques transitoires, dans un petit satellite adapté au programme Explorer de la NASA. Dans la phase de conception préliminaire, diverses autres bandes de longueurs d'onde ont été envisagées, y compris les rayons X, cependant l'ultraviolet a été sélectionné en raison de la maturité des technologies de détection de cette lumière, des chances plus élevées de réussite de la mise en œuvre et de la nécessité de continuer à explorer cette région du spectre lumineux. L'importance de ce projet est confirmée dans qui indique que le taux de découverte des sources variables et transitoires en UV pourrait augmenter de plusieurs ordres de grandeur avec le lancement d'une mission spatiale dotée d'un large champ de vision (plusieurs degrés carrés) et qui stipule que « La mission ULTRASAT proposée pourrait découvrir des centaines d'événements transitoires par an dans l'ultraviolet ».

Le projet, initialement appelé LIMSAT, a été renommé ULTRASAT - ULtraviolet TRansient Astronomy SATellite en 2011 lorsqu'une proposition a été soumise à la NASA pour intégrer le programme Mission of Opportunity en 2012, en collaboration avec le Centre de recherche Ames de la NASA. En raison des coupes budgétaires de la NASA, aucune proposition n'a été sélectionnée cette année-là. À la suite de modifications considérables de la configuration du télescope, de l'orbite prévue et du satellite porteur, une nouvelle proposition a été soumise en décembre 2014 en collaboration avec le JPL, qui a obtenu la cote "Catégorie II", c'est-à-dire des mérites scientifiques et technologiques élevés, mais n'a pas été sélectionné pour le financement. Le projet actuel n'impliquera donc pas la NASA, comme indiqué ci-dessus. D'un concept de huit petits télescopes UV à réfraction sur un satellite en orbite terrestre basse, ULTRASAT a évolué vers un seul télescope Schmidt à champ large en orbite géosynchrone.

## Science

L'astronomie des phénomènes transitoires a le potentiel de permettre des découvertes inhabituelles. En particulier, le spectre ultraviolet (UV) est relativement peu exploré, même s'il offre des perspectives scientifiques passionnantes. Welsh décrit en 2005 les découvertes faites par GALEX, qui seront considérablement améliorées par ULTRASAT.

Un domaine où les observations UV peuvent faire une grande différence est l'étude des évènements marquants la mort des étoiles. Dans un article de Ganot de 2015, il est estimé qu'ULTRASAT détecterait plus de 100 supernovas par an. Les signaux UV des supernova précèdent le signal dans le spectre visible, permettant la découverte de supernova à un stade précoce, lorsque le spectre lumineux n'est pas encore contaminé par des processus ultérieurs.

Étant donné que pour un événement transitoire, il n'y a généralement pas d'alerte précoce et que la position de l'événement dans le ciel est de nature statistique, la plupart des transitoires sont découverts par des télescopes au sol avec des champs de vision limités, souvent longtemps après le début de l'événement, bien que les relevés dédiés réduisent ce délai à environ un jour. Afin de détecter des évènements transitoires en grand nombre, des observations quasi continues de grandes portions du ciel sont nécessaires.

Sur la base du volume d'espace surveillé et du taux de supernova mesuré (à partir d'enquêtes au sol), on s'attend à ce qu'au moins 100 événements de ce type par an soient détectés par ULTRASAT dans les 24h suivant l'explosion de l'étoile. Le large champ de vision et les détecteurs UV avancés permettront la découverte et la surveillance des sources transitoires dans un volume cosmique 300 fois plus grand que celui du satellite UV le plus puissant à ce jour, GALEX. L'analyse du spectre lumineux précoce fournit des informations précieuses (rayon stellaire et composition chimique de la surface notamment) sur l'étoile progénitrice (avant qu'elle n'explose) qui ne peuvent être trouvées par d'autres moyens.

Dans les supernovas, une émission initiale de haute intensité dans les UV est suivie d'un rayonnement dans des longueurs d'onde plus longues lorsque le matériau éjecté se refroidit. Les UV ne peuvent être observés qu'à partir de satellites spatiaux, en raison de l'effet bloquant de l'ozone ; les télescopes au sol ne voient que les dernières étapes de l'événement.

ULTRASAT a été conçu pour couvrir un champ de vision sans précédent avec une caméra UV très sensible, avec des temps de répétition d'image aussi courts que 5 minutes. Pour maximiser le nombre d'événements détectés, ULTRASAT pointera vers des régions à des latitudes célestes élevées, en évitant la Voie Lactée avec sa forte concentration d'étoiles "proches", son fond diffus et sa poussière galactique bloquant une grande partie de la lumière des galaxies lointaines où ces événements se produisent.

Des observations optiques spatiales-UV et au sol combinées déclenchées par un explorateur UV fourniraient une mine de données sur les explosions massives d'étoiles, allant au-delà du rayon stellaire (et donc de la classe stellaire de l'ancêtre : supergéante rouge ou bleue, ou étoile WR).

En plus de détecter les supernova précoces, ULTRASAT mesurera la lumière UV d'un grand nombre d'étoiles dans son champ de vision à haute résolution temporelle, permettant éventuellement la détection de transits $planétaires^,.$

ULTRASAT peut également être pointé vers des « cibles d'opportunité » lorsque d'autres instruments donnent une alerte pour un événement intéressant. L'un des principaux objectifs scientifiques d'ULTRASAT est la découverte d'émissions électromagnétiques à la suite de la détection d'ondes gravitationnelles issues de la fusion de systèmes stellaires doubles impliquant des étoiles à neutrons, appelées Kilonova. De telles détections seront la clé de l'utilisation de ces événements pour répondre à des questions fondamentales de la physique, telles que l'origine des éléments les plus lourds ou le taux d'expansion de l'univers. ULTRASAT sera capable de pivoter en quelques minutes pour couvrir 50% du ciel, et son large champ de vision couvre amplement les régions d'erreur angulaire qui devraient être fournies par les détecteurs d'ondes gravitationnelles en service dans les années 2020. Il fournira des courbes de lumière UV continues ainsi que des alertes précoces qui permettront une spectroscopie de suivi au sol et une surveillance des émissions optiques et infrarouges qui devraient se produire ultérieurement.

Les autres sources astrophysiques produisant un signal UV transitoire sont :

* Rémanences de sursaut gamma, un explorateur de phénomènes transitoires ultraviolet à large champ de vision peut trouver les rémanences « orphelines » très recherchées.
* On s'attend à ce que le signal d'un événement de rupture par effet de marée culmine dans l'UV.
* La masse et les environnements des trous noirs massifs au centre des galaxies.
* Noyaux actifs de galaxies.
* Étoiles variables.
