Le télescope du pôle Sud scrute le ciel comme les aurores australes, ou aurore australe, forment des motifs verts dans ce clip vidéo de 2018. Le projet CMB-S4 mettra en vedette de nouveaux télescopes autour de ce site d'expériences en cours au pôle Sud, et aussi dans le haut désert du Chili. Crédit :Robert Schwarz/Université du Minnesota
La plus grande entreprise de collaboration à ce jour pour explorer la lumière relique émise par l'univers infantile a fait un pas en avant avec la sélection par le département américain de l'Énergie du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) pour diriger le partenariat des laboratoires nationaux, les universités, et d'autres institutions qui se sont unies dans l'effort pour s'acquitter des rôles et responsabilités du DOE. Cette expérience de nouvelle génération, connu sous le nom de CMB-S4, ou Cosmic Microwave Background Stage 4, est prévu de devenir un projet conjoint du DOE et de la National Science Foundation.
CMB-S4 réunira plusieurs collaborations existantes pour étudier le ciel micro-ondes avec des détails sans précédent avec 500, 000 détecteurs ultrasensibles pendant sept ans. Ces détecteurs seront placés sur 21 télescopes dans deux des principaux endroits de notre planète pour observer l'espace lointain :le pôle Sud et le haut désert chilien. Le projet est destiné à percer de nombreux secrets en cosmologie, physique fondamentale, astrophysique, et l'astronomie.
Combinant un mélange de grands et petits télescopes sur les deux sites, CMB-S4 sera la première expérience à accéder à l'ensemble de la science CMB au sol. Il mesurera les variations les plus légères de la température et de la polarisation, ou directivité, de lumière micro-ondes dans la majeure partie du ciel, pour sonder les ondulations dans l'espace-temps associées à une expansion rapide au début de l'univers, connu sous le nom d'inflation.
CMB-S4 permettra également de mesurer la masse du neutrino; cartographier la croissance de la matière s'agglomérant au fil du temps dans l'univers ; jeter un nouvel éclairage sur la mystérieuse matière noire, qui constitue la majeure partie de la matière de l'univers mais n'a pas encore été directement observé, et l'énergie noire, qui entraîne une expansion accélérée de l'univers ; et aider à la détection et à l'étude de phénomènes spatiaux puissants tels que les sursauts gamma et les blazars émettant des jets.
Cette image, de "Ciel éternel, » une série de vidéos sur l'Observatoire Simons, montre le site du désert d'Atacama où seront construits certains des télescopes de l'expérience CMB-S4. Crédit :Debra Kellner/Fondation Simons
Le 1er septembre Le directeur du bureau scientifique du DOE, Chris Fall, a autorisé la sélection de Berkeley Lab comme laboratoire principal pour les rôles et les responsabilités du DOE sur CMB-S4, avec le Laboratoire National d'Argonne, Laboratoire national de l'accélérateur Fermi, et SLAC National Accelerator Laboratory servant de laboratoires partenaires. La collaboration CMB-S4 compte désormais 236 membres dans 93 institutions dans 14 pays et 21 États américains.
Le projet a franchi son premier jalon du DOE, connu sous le nom de décision critique 0 ou CD-0, le 26 juillet, 2019. Il a été approuvé par le rapport 2014 du Particle Physics Project Prioritization Panel (connu sous le nom de P5), qui aide à définir l'orientation future de la recherche liée à la physique des particules. Le projet a également été recommandé dans la vision stratégique de la National Academy of Sciences pour la science antarctique en 2015, et par le Comité consultatif d'astronomie et d'astrophysique en 2017.
CMB-S4 permettra également de mesurer la masse du neutrino; cartographier la croissance de la matière s'agglomérant au fil du temps dans l'univers ; jeter un nouvel éclairage sur la mystérieuse matière noire, qui constitue la majeure partie de la matière de l'univers mais n'a pas encore été directement observé, et l'énergie noire, qui entraîne une expansion accélérée de l'univers ; et aider à la détection et à l'étude de phénomènes spatiaux puissants tels que les sursauts gamma et les blazars émettant des jets.
Le 1er septembre Le directeur du bureau scientifique du DOE, Chris Fall, a autorisé la sélection de Berkeley Lab comme laboratoire principal pour les rôles et les responsabilités du DOE sur CMB-S4, avec le Laboratoire National d'Argonne, Laboratoire national de l'accélérateur Fermi, et SLAC National Accelerator Laboratory servant de laboratoires partenaires. La collaboration CMB-S4 compte désormais 236 membres dans 93 institutions dans 14 pays et 21 États américains.
Une vue du télescope du pôle Sud, l'un des instruments existants sur le site du pôle Sud où le CMB-S4 sera construit. Crédit :Laboratoire National d'Argonne
Le projet a franchi son premier jalon du DOE, connu sous le nom de décision critique 0 ou CD-0, le 26 juillet, 2019. Il a été approuvé par le rapport 2014 du Particle Physics Project Prioritization Panel (connu sous le nom de P5), qui aide à définir l'orientation future de la recherche liée à la physique des particules. Le projet a également été recommandé dans la vision stratégique de la National Academy of Sciences pour la science antarctique en 2015, et par le Comité consultatif d'astronomie et d'astrophysique en 2017.
La NSF a été la clé du développement de CMB-S4, qui s'appuie sur le programme existant de la NSF expériences CMB au sol. Quatre de ces expériences—le télescope cosmologique d'Atacama et le réseau POLARBEAR/Simons au Chili, et le télescope du pôle Sud et BICEP/Keck au pôle Sud-ont aidé à démarrer CMB-S4 en 2013, et la conception de CMB-S4 repose fortement sur les technologies développées et déployées par ces équipes et d'autres. La NSF aide également à planifier son éventuel rôle futur avec une subvention accordée à l'Université de Chicago.
La collaboration CMB-S4 a été établie en 2018, et ses co-porte-parole actuels sont Julian Borrill, chef du Computational Cosmology Center du Berkeley Lab et chercheur au Space Sciences Laboratory de l'UC Berkeley, et John Carlstrom, professeur de physique, astronomie, et astrophysique à l'Université de Chicago et scientifique à Argonne Lab.
CMB-S4 s'appuie sur des décennies d'expérience avec les Satellite, et des expériences à base de ballons.
Cette carte de l'univers, sorti en 2018, montre les fluctuations de température dans le ciel des micro-ondes. Crédit :ESA, Collaboration Planck
Ce qui est unique à propos du CMB-S4 n'est pas la technologie elle-même - la technologie du détecteur a déjà fait ses preuves lors d'expériences antérieures, par exemple, mais l'échelle à laquelle la technologie sera déployée, y compris le grand nombre de détecteurs, échelle des systèmes de lecture des détecteurs, nombre de télescopes, et le volume de données à traiter.
CMB-S4, qui dépassera de plus de 10 fois les capacités des générations précédentes d'expériences, aura la puissance d'observation combinée de trois grands télescopes et de 18 petits télescopes. Le défi technologique majeur du CMB-S4 réside dans son ampleur. Alors que les générations précédentes d'instruments utilisaient des dizaines de milliers de détecteurs, l'ensemble du projet CMB-S4 nécessitera un demi-million.
Les défis de gestion des données seront considérables, trop, car ces énormes réseaux de détecteurs produiront 1, 000 fois plus de données que la génération d'expériences précédente. L'un des principaux objectifs matériels du projet sera la construction de nouveaux télescopes et la fabrication en série des détecteurs. La conception actuelle du détecteur, adapté des expériences en cours, comportera plus de 500 plaquettes de silicium contenant chacune 1, 000 détecteurs supraconducteurs.
CMB-S4 prévoit de s'appuyer sur les ressources informatiques de l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) et du Berkeley Lab's National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), et pour postuler à Open Science Grid et à eXtreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) de la NSF.
Ce prototype de plaquette, mesurant environ 5 pouces de diamètre, avec plus de 1, 000 détecteurs, a été conçu pour tester les processus de fabrication et la qualité des détecteurs pour l'expérience CMB-S4. Crédit :Aritoki Suzuki/Laboratoire de Berkeley
Le projet espère déployer son premier télescope en 2027, être pleinement opérationnel sur tous les télescopes d'ici quelques années, et jusqu'en 2035.
Les prochaines étapes comprennent la préparation d'un bureau de projet au Berkeley Lab, se préparer pour la prochaine étape du DOE, connu sous le nom de décision critique 1, travailler pour devenir un projet NSF, et travailler dans toute la communauté pour apporter la meilleure expertise et les meilleures capacités.
