Certains des plus grands mystères de l'univers pourraient bientôt être résolus grâce au Square Kilometer Array (SKA), un énorme radiotélescope qui sera construit en Afrique du Sud et en Australie. Plusieurs laboratoires de l'EPFL sont impliqués dans ce projet épique.

Avec le télescope Square Kilometer Array (SKA), les scientifiques espèrent pouvoir voir la matière et les forces jusqu'alors invisibles. Le SKA est un immense radiotélescope qui s'étendra sur deux sites :un dans le désert du Karoo en Afrique du Sud, et l'autre dans la région de Murchison en Australie occidentale. Des scientifiques de seize pays à ce jour et d'une centaine d'instituts de recherche, dont l'EPFL, se sont associés pour le projet.

"Cela va engendrer une nouvelle ère pour notre domaine, " dit Jean-Paul Kneib, responsable du Laboratoire d'Astrophysique de l'EPFL (LASTRO). Le SKA donnera aux scientifiques des capacités sans précédent pour étudier l'univers. Alors que la plupart des télescopes, comme le célèbre télescope spatial Hubble et le Very Large Telescope au Chili, utiliser la réfraction et la réflexion optiques, le SKA captera les ondes radio. Ce ne sera pas le premier radiotélescope - il y a celui d'Arecibo à Porto Rico, par exemple, mais ce sera de loin le plus gros. Il en aura 3, 000 paraboles et un million d'antennes, lui permettant de fournir des images d'une précision inégalée.

La radioastronomie est un sous-domaine de l'astronomie qui vise à détecter et à étudier les objets célestes invisibles aux instruments optiques, c'est-à-dire objets extrêmement froids ou très éloignés et n'émettant pas beaucoup de lumière visible. Ces objets constituent la majeure partie de la matière qui se trouve dans l'espace :les gaz, régions bloquées par la poussière cosmique et des objets à des milliards d'années-lumière. L'une des découvertes les plus importantes faites à ce jour en utilisant la radioastronomie est l'existence du fond diffus cosmologique.

"Nous espérons que le SKA nous ramènera à l'époque où les galaxies n'existaient pas encore, " dit Frédéric Courbin, un scientifique à LASTRO. En réalité, le projet vise à résoudre l'un des plus grands mystères de l'astrophysique :pourquoi l'expansion de l'univers s'accélère-t-elle ? Les performances exceptionnelles du SKA devraient permettre aux scientifiques de répondre à cette question en leur permettant d'observer comment les premières galaxies se sont formées et comment l'hydrogène est distribué. L'hydrogène – l'un des éléments les plus abondants du cosmos – ne peut pas être vu avec les télescopes optiques conventionnels mais « brille de mille feux » avec les ondes radio.

Beaucoup d'espace requis

La radioastronomie est un domaine très prometteur, mais il vient avec sa juste part d'obstacles. Par exemple, ses instruments prennent énormément de place. Les signaux radio sont abondants mais souvent très faibles; les radiotélescopes doivent avoir une zone de collecte extrêmement large pour produire des images avec une bonne résolution. Plus la zone de collecte est grande, plus la sensibilité du système est élevée et meilleure est la résolution de l'image.

Pour obtenir une surface suffisamment grande, deux possibilités :construire des paraboles massives – la plus grande est en Chine et mesure 500 m de diamètre – ou utiliser plusieurs antennes éloignées les unes des autres. Cette deuxième option utilise l'interférométrie, qui est une méthode qui, pour le dire simplement, combine les signaux reçus à chaque antenne. Cela fournit des images avec la même résolution que celle qui pourrait être obtenue à partir d'une seule parabole avec un diamètre égal à la plus grande distance entre deux des antennes. C'est la technologie utilisée dans le SKA, dont les antennes seront situées sur deux continents et quelque 3, 000 km l'un de l'autre, résultant en une surface collectrice d'un kilomètre carré !

Avec ce genre de superficie, les scientifiques peuvent collecter une quantité impressionnante de données. Une radio devrait fonctionner pendant deux millions d'années pour diffuser la même quantité de données que le SKA peut collecter en une seule journée. Mais le traitement d'une telle quantité d'informations représente un autre défi de taille pour l'équipe de projet. "Non seulement nous devons trouver les bons programmes pour lire et trier l'énorme volume de données, mais nous devons aussi développer des algorithmes spécifiques pour les applications astrophysiques, " dit Courbin.

Intégrer les compétences suisses

« À l'EPFL, nous avons une vaste expérience dans ce domaine et pouvons vraiment apporter quelque chose à la table, " ajoute Kneib. C'est pourquoi le Laboratoire de traitement du signal (LTS5) de l'EPFL a décidé de rejoindre le projet et d'aider à la mise en place d'un groupe de recherche Traitement du signal biomédical et astronomique (BASP) à l'Université Heriot-Watt d'Édimbourg.

« L'immense zone de collecte du SKA lui permettra de capturer des images extrêmement petites, signaux faibles, " dit Yves Wiaux, qui dirige le groupe BASP. "Mais les données que nous collectons à partir de ses différentes antennes seront très fragmentées. Nous devons donc développer un système capable non seulement de traiter rapidement ces signaux, mais aussi les assembler. » Le groupe a proposé une approche basée sur deux méthodes :la détection comprimée, qui est utilisé pour construire des signaux et des images à partir de données incomplètes, et optimisation, qui permet aux algorithmes de s'exécuter en parallèle, c'est-à-dire effectuer des calculs sur plusieurs serveurs en même temps.

« Seize pays sont déjà impliqués dans le projet et cela devient une entreprise internationale majeure. C'est donc maintenant au tour de la Suisse et de ses scientifiques de s'y associer, apporter nos compétences et connaissances substantielles - comme nous l'avons fait lorsque nous sommes devenus membres de l'Observatoire européen austral (ESO) et de l'Agence spatiale européenne (ESA), " dit Kneib.