Les scientifiques et collaborateurs de Brookhaven se tiennent sur le site du nouveau prototype de radiotélescope. Sur la photo de gauche à droite sont Paul O'Connor, Paul Stankus, Justine Haupt, Will Tyndall, et Chris Sheehy. Crédit :Département américain de l'énergie
Un nouveau prototype de radiotélescope a commencé à observer l'univers au laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie (DOE). Construit par une équipe de scientifiques, ingénieurs, charpentiers, et étudiants, le prototype de télescope a été financé par le programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire de Brookhaven. Les scientifiques et collaborateurs de Brookhaven utiliseront le petit prototype pour tester les mérites d'un radiotélescope sur place au laboratoire, développer de nouvelles façons d'attaquer les problèmes fondamentaux, et percer dans le domaine de la cosmologie de 21 centimètres - l'étude des origines de notre univers grâce aux signaux radio émis par l'hydrogène gazeux dans les galaxies lointaines.
Les cosmologistes ont principalement utilisé des télescopes optiques - des télescopes qui observent l'espace à travers la lumière visible - pour étudier les galaxies et leurs distributions dans l'espace et le temps. Ces télescopes sont extrêmement avancés, et ceux comme le Large Synoptic Survey Telescope (LSST) actuellement en construction au Chili sont entièrement optimisés pour les applications cosmologiques; cependant, les télescopes optiques sont également extrêmement coûteux à construire. C'est pourquoi Brookhaven étudie les radiotélescopes comme alternative, moyen rentable d'observer l'univers.
"Si nous voulons en savoir plus sur l'univers, les radiotélescopes sont une voie passionnante à suivre, " a déclaré Chris Sheehy, un physicien à Brookhaven.
Les télescopes radio et optiques ont une conception similaire :ils comprennent tous deux une caméra et un élément de focalisation qui réfléchit la lumière pour générer une image de l'univers. Mais contrairement aux télescopes optiques, qui utilisent un miroir en verre pour refléter la lumière visible, les radiotélescopes peuvent utiliser une parabole à réflecteur en métal qui coûte environ 100 fois moins qu'un miroir en verre de la même taille.
"Les ondes radio sont comme la lumière normale, seulement avec des longueurs d'onde beaucoup plus longues, " dit Anže Slosar, un physicien au Brookhaven Lab. Les longues longueurs d'onde des ondes radio amènent les radiotélescopes à produire une image de l'univers avec une résolution bien inférieure à celle qu'un télescope optique de la même taille pourrait produire.
Capturer une image précise de l'univers
En radioastronomie traditionnelle - l'étude d'objets célestes individuels à l'aide d'ondes radio - de très grandes antennes paraboliques ou une collection d'antennes paraboliques largement séparées sont utilisées pour améliorer la résolution de l'image. Pour les applications cosmologiques, cependant, un autre type de radiotélescope est nécessaire :celui qui peut observer de larges zones du ciel avec une intensité extrêmement précise, mais seulement une résolution modeste.
"Avoir un petit radiotélescope qui voit une image très floue de l'univers est OK, " Slosar a dit, "parce que nous ne sommes pas intéressés par l'observation d'objets individuels. Nous pouvons mesurer de grandes étendues de l'univers tout en mesurant les mêmes quantités statistiques que nous faisons normalement avec les galaxies."
Un radiotélescope très sensible est nécessaire pour les cosmologistes car leurs observations reposent sur un signal très faible de l'hydrogène gazeux neutre, un marqueur cosmologique que l'on retrouve dans toutes les galaxies. Le signal de l'hydrogène est si faible qu'il ne peut être détecté qu'en soustrayant soigneusement le bruit et les ondes radio interférentes de notre propre galaxie (voir la figure). Les cosmologistes de Brookhaven ne sont pas les premiers à rechercher ce marqueur cosmologique; une expérience entièrement financée appelée Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment est en cours, et un effort similaire est envisagé pour l'Afrique du Sud. L'expérience de Brookhaven est considérablement plus petite, mais ses objectifs sont différents.
"Plutôt que d'aller tout droit vers une expérimentation compétitive, nous commençons par un petit prototype de R&D pour développer la technique, " dit Hindy Drillick, un étudiant de premier cycle à l'Université Stony Brook qui participe à l'expérience. "Nous avons un système magnifiquement flexible auquel on peut marcher, jouer avec, et essayer rapidement différentes techniques. » L'équipe de Brookhaven espère utiliser le prototype pour développer et tester de nouvelles techniques d'étalonnage et de caractérisation pour les radiotélescopes.
Le prototype de radiotélescope de Brookhaven détectera les signaux radio provenant de plusieurs types de sources différentes, qui sont indiqués ici du plus puissant au moins puissant :Sources terrestres telles que radars et téléphones portables (en vert), bruit électronique interne (bleu), rayonnement de l'intérieur de notre galaxie (rouge), et le rayonnement de l'hydrogène dans les galaxies très éloignées (orange). Le but scientifique sera de mesurer les petites « ondulations » du faible signal extragalactique, en dehors de toutes les sources plus fortes. Crédit :Département américain de l'énergie
Une perspective unique de l'espace
Observer des galaxies très lointaines est une tâche difficile car leur lumière stellaire apparaît très rouge, résultat de l'expansion continue de l'univers. La lumière rouge nécessite l'observation de détecteurs plus coûteux et est plus susceptible d'être absorbée dans l'atmosphère. Les galaxies lointaines sont également intrinsèquement plus faibles et moins nombreuses.
"Par rapport aux télescopes optiques, les radiotélescopes peuvent voir plus loin - plus loin dans le temps et plus loin dans l'univers, " a déclaré Paul Stankus, un physicien au Laboratoire national d'Oak Ridge et un collaborateur du radiotélescope.
Les radiotélescopes sont également particulièrement pratiques pour les cosmologistes car leur conception élimine le besoin d'ajuster la position du télescope.
"Si vous vouliez regarder une étoile avec un télescope optique, vous auriez à ajuster continuellement la position du télescope pour obtenir une image claire. Mais nous pouvons pointer notre radiotélescope directement au zénith, et laisse le ciel passer devant le télescope pendant que la terre tourne, " dit Will Tyndall, un étudiant diplômé de l'Université Stony Brook qui travaille actuellement avec le télescope. "Vous pouvez l'imaginer comme si vous observiez un tableau de Jackson Pollock. Utiliser un télescope optique reviendrait à regarder chaque point du tableau, puis mettre tous les points sur un graphique pour voir où ils se trouvent. L'utilisation d'un radiotélescope consisterait à regarder lentement la peinture de gauche à droite pour voir l'ensemble de l'image."
De plus, les radiotélescopes peuvent être pilotés électroniquement et ne nécessitent pas les coûteux moteurs de poursuite utilisés sur les télescopes optiques.
Défis actuels et plans pour une expérimentation avancée
Le prototype du télescope de Brookhaven est situé sur le terrain du laboratoire, où les interférences de radiofréquence générées par le radar météorologique à proximité, diffuser la télévision, et les tours de téléphonie cellulaire compliquent les observations. La gestion des interférences radio avec le prototype préparera les scientifiques de Brookhaven à prendre des mesures précises de l'univers avec un télescope plus avancé.
"A moins que vous n'alliez à l'arrière de la lune, il y aura toujours des interférences radio, même au milieu du désert, " a déclaré Paul O'Connor, un scientifique principal à la division d'instrumentation de Brookhaven, "Nous devons donc comprendre comment atténuer cette interférence pour améliorer nos observations. Si nous pouvons le faire sur le site de Brookhaven, nous pouvons le faire n'importe où."
Le groupe prévoit de passer environ cinq ans à expérimenter le prototype pour démontrer la promesse des radiotélescopes pour les études de cosmologie au laboratoire, et de tester divers choix de conception pour une expérience avancée.
Le prototype est le fruit d'une collaboration entre le département de physique et la division d'instrumentation de Brookhaven. "Cette combinaison est particulièrement puissante, " Slosar a déclaré. "Notre laboratoire permet cette connexion forte entre ceux qui connaissent les écrous et les boulons du matériel et ceux qui peuvent faire des analyses de haut niveau. "
Les deux groupes collaborent sur le LSST depuis plus d'une décennie, et le radiotélescope pourrait étendre cette collaboration après l'achèvement du projet de construction du LSST à la fin de la décennie.
En parallèle, Les scientifiques de Brookhaven collaborent avec d'autres laboratoires nationaux et universités soutenues par le DOE pour plaider en faveur d'un plus grand radiotélescope. L'expérimentation serait située sur un site distant, et impliquerait de nombreux laboratoires du DOE et potentiellement d'autres agences. Les observations réussies du prototype de Brookhaven seraient l'un des nombreux exemples importants à l'appui d'une telle expérience à plus grande échelle et à l'échelle internationale.
