Un radiotélescope du laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) a reçu une mise à niveau importante, passer d'un plat à quatre. Les mises à niveau font partie des efforts continus du laboratoire pour tester les mérites d'un radiotélescope pour un futur projet potentiel entre les laboratoires nationaux et les universités parrainées par le DOE. Le but ultime des scientifiques est d'approfondir l'univers et de mieux comprendre les périodes d'expansion accélérée et la nature de l'énergie noire.

« Dans l'étude de l'univers, le premier objectif est de sonder des structures à grande échelle sur un maximum de volume et de temps cosmique, " dit Anže Slosar, un physicien au Brookhaven Lab. "Maintenant, nous expérimentons une nouvelle technique qui repose sur les ondes radio, et cela pourrait nous permettre d'observer l'univers beaucoup plus efficacement."

Cartographier l'univers avec des ondes radio

Les cosmologistes utilisent principalement 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. Les télescopes optiques peuvent détecter la faible lumière émise par des galaxies si éloignées de la Terre que leur lumière a mis 11 milliards d'années pour nous atteindre. Mais les radiotélescopes, qui détectent les ondes radio produites à une longueur d'onde particulière par l'hydrogène gazeux dans les galaxies lointaines – un domaine de recherche appelé cosmologie de 21 centimètres – peut permettre aux scientifiques de « voir » une image différente de l'univers.

"Par rapport aux télescopes optiques, les radiotélescopes pourraient également 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 de Brookhaven.

Les radiotélescopes ont une conception similaire aux télescopes optiques; ils comprennent tous deux une caméra et un élément de focalisation qui réfléchit la lumière pour générer une image de l'univers. Mais au lieu d'avoir un miroir en verre qui reflète 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, ce qui en fait un moyen beaucoup plus rentable d'observer l'univers.

Les radiotélescopes traditionnels pour les études astronomiques utilisent de grandes antennes paraboliques, ou une collection de plats largement séparés, pour obtenir des images haute résolution d'objets célestes individuels. Pour les applications cosmologiques de Brookhaven, cependant, un autre type de radiotélescope est nécessaire :un qui peut observer de grandes zones du ciel avec une résolution modeste, et peut détecter les changements d'intensité des ondes radio entrantes avec une extrême précision.

"Pour nos besoins, voir une image très floue de l'univers est acceptable parce que nous ne sommes pas intéressés par l'observation d'objets individuels. Nous voulons mesurer de grandes étendues de l'univers, " a déclaré Slosar. " L'utilisation des émissions radio pour mesurer les structures dans l'espace lointain sur de très grands volumes nous aidera à mieux comprendre les propriétés fondamentales de notre univers. "

Détection des interférences

Le radiotélescope actuel sur le site de Brookhaven Lab est un petit prototype, et il a été installé pour la première fois en 2017. Initialement, le prototype a servi de banc d'essai aux scientifiques pour gérer les interférences radioélectriques générées par le radar météorologique à proximité, diffuser la télévision, et les tours de téléphonie cellulaire. Comprendre comment atténuer ces grandes sources d'interférence préparera le groupe à gérer de plus petites sources d'interférence si un plus grand télescope est construit sur un site plus éloigné.

Durant les premiers mois d'observations, les scientifiques ont détecté cette interférence attendue, mais ils ont aussi trouvé quelque chose de plus inhabituel.

"Nous avons vu des signaux mystérieux qui semblaient provenir d'une source radio astronomique, " a déclaré Paul O'Connor, un scientifique principal dans la division d'instrumentation de Brookhaven. "Ils sont réapparus au bon intervalle de temps, mais pas tout à fait au bon angle et à la bonne position du ciel, et sans le spectre de fréquences attendu."

Après avoir caractérisé les signaux et étalonné le télescope, ils ont déterminé que les signaux provenaient de satellites de navigation dont les orbites passaient directement au-dessus de la parabole.

"Notre radiotélescope peut voir des dizaines de satellites de navigation du monde entier, mais ce n'est pas vraiment un exploit, " a déclaré Slosar. "Ces satellites sont si puissants que nos téléphones peuvent les voir. L'exploit a été de détecter ces satellites au-delà de leur bande de fréquences allouée, où ils sont environ 1, 000 fois moins puissant." Ce signal de faible puissance est encore capable de poser des problèmes aux radiotélescopes, ainsi, identifier le signal et apprendre à travailler avec lui est une étape cruciale vers la préparation d'un projet de radiotélescope plus vaste.

D'un plat à quatre

Des mesures réussies au cours de la première année d'observation et un financement supplémentaire par le biais du programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire de Brookhaven ont permis aux chercheurs d'améliorer le prototype de télescope et de collecter des données plus avancées. Plus important encore, le télescope est passé d'une parabole à quatre.

"Le fait d'avoir quatre plats nous permet d'utiliser une technique appelée interférométrie, où vous pouvez combiner les signaux de deux paraboles, " dit Slosar. " Maintenant, les quatre plats agiront comme un très grand plat. Il s'agit d'une technique standard en radioastronomie, mais il est important que nous testions sa fonctionnalité dans notre prototype afin de nous préparer à une expérience plus large à l'avenir."

O'Connor a ajouté, "la construction de l'antenne parabolique était en grande partie dirigée par des étudiants. Nous avions sept étudiants travaillant sur le télescope l'été dernier et nous en avons d'autres cette année."

Dans les années à venir, le prototype de télescope continuera de servir de banc d'essai pour l'interférométrie et d'autres techniques de recherche que les scientifiques espèrent utiliser dans une expérience plus vaste. D'autres plans incluent l'utilisation de drones transportant des sources radio pour calibrer le télescope.

« Nous avons toujours eu le projet de passer d'un plat à quatre, et maintenant que nous l'avons fait, nous considérons la conception de cet instrument de banc d'essai terminée, " dit Slosar. " Quand nous serons prêts pour d'autres améliorations, ceux-ci seront prévus pour une plus grande expérience. Pour l'instant, ce prototype sera un banc d'essai à long terme pendant que nous passons à la phase de recherche et développement pour un projet plus vaste."

Jusque là, le prototype s'est déjà avéré être une nouvelle façon prometteuse de "voir" l'univers.

"Nous avons comparé nos données aux données existantes que les radiotélescopes ont produites sur la Voie lactée, et ça correspond parfaitement, " a déclaré Chris Sheehy, un physicien à Brookhaven. "La différence est que la 'bande passante' de notre prototype est multipliée par 100. Donc, tandis que d'autres expériences ont cartographié la Voie lactée dans une bande de fréquence très étroite, nous voyons cette plage comme une bande étroite dans nos données, et nous pouvons également voir un facteur 100 de plus."

Concernant un plus grand projet de radiotélescope, les chercheurs continuent de collaborer avec d'autres laboratoires nationaux et universités soutenues par le DOE pour monter un dossier ; ils conçoivent un concept qu'ils espèrent voir prendre vie dans les 10 prochaines années. 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.