Après 16 ans de planification et d'ingénierie dédiées, des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) ont terminé un réseau de capteurs de 3,2 gigapixels pour la caméra qui sera utilisée dans le grand télescope synoptique d'enquête (LSST), un télescope massif qui observera l'univers comme jamais auparavant.

"Il s'agit du plus grand réseau de dispositifs à couplage de charge (CCD) jamais construit, " a déclaré Paul O'Connor, scientifique senior à la division instrumentation de Brookhaven Lab. "C'est trois milliards de pixels. Aucun télescope n'a jamais mis autant de capteurs dans une seule caméra."

Le réseau de capteurs numériques est composé d'environ 200 capteurs de 16 mégapixels, divisé en 21 modules appelés « radeaux ». Chaque radeau peut fonctionner seul, mais lorsqu'ils sont combinés, ils verront une zone du ciel pouvant contenir plus de 40 pleines lunes sur une seule image. Les chercheurs assembleront ces images pour créer un film en accéléré de l'univers visible complet accessible depuis le Chili.

Actuellement en construction au sommet d'une montagne au Chili, LSST est conçu pour capturer les images les plus complètes de notre univers qui aient jamais été réalisées. Le projet de construction du télescope et de la caméra est un effort de collaboration entre plus de 30 institutions du monde entier, et il est principalement financé par l'Office of Science du DOE et la National Science Foundation. Le laboratoire national des accélérateurs SLAC du DOE dirige l'effort global de construction de la caméra, la plus grande caméra au monde pour l'astronomie, tandis que Brookhaven a dirigé la conception, construction, et la qualification du réseau de capteurs numériques, le « film numérique » pour la caméra.

"C'est le cœur de la caméra, " a déclaré Bill Wahl, responsable du sous-système du radeau scientifique du projet LSST au Brookhaven Lab. "Ce que nous avons fait ici à Brookhaven représente des années d'excellent travail de la part de nombreux scientifiques talentueux, ingénieurs, et techniciens. Leur travail aboutira à une collection d'images qui n'a encore jamais été vue par personne. C'est une période passionnante pour le projet et pour le Lab."

Brookhaven a commencé son programme de recherche et développement LSST en 2003, avec la construction du réseau de capteurs numériques à partir de 2014. Dans la période précédant la construction, Brookhaven a conçu et fabriqué l'équipement d'assemblage et d'essai pour les radeaux scientifiques utilisés à Brookhaven et au SLAC. Le Laboratoire a également créé toute une unité de production automatisée et une salle blanche, ainsi qu'un logiciel de production et de suivi.

"Nous avons veillé à automatiser au maximum l'outil de production, " a déclaré O'Connor. " Tester un seul radeau peut prendre jusqu'à trois jours. Nous travaillions sur un calendrier serré, notre installation automatisée fonctionnait donc 24h/24 et 7j/7. Bien sûr, par souci de sécurité, nous avons toujours eu quelqu'un qui surveillait l'installation toute la journée et la nuit."

Construire le réseau de capteurs complexe, qui fonctionne sous vide et doit être refroidi à -100° Celsius, est un défi en soi. Mais l'équipe de Brookhaven a également été chargée de tester chaque radeau entièrement assemblé, ainsi que des capteurs individuels et de l'électronique. Une fois chaque radeau terminé, il devait être soigneusement emballé dans un environnement protecteur pour être expédié en toute sécurité à travers le pays au SLAC.

L'équipe LSST de Brookhaven a terminé le premier radeau en 2017. Mais peu de temps après, ils ont été confrontés à un nouveau défi.

"Nous avons découvert plus tard que les caractéristiques de conception ont conduit par inadvertance à la possibilité que les fils électriques dans les radeaux pourraient être court-circuités, " O'Connor a déclaré. "Le taux auquel cet effet a eu un impact sur les radeaux n'était que de l'ordre de 0,2%, mais pour éviter toute possibilité de dégradation, nous avons eu la peine de remettre en état presque tous les radeaux."

Maintenant, deux ans seulement après le début de la production de radeaux, l'équipe a construit et expédié avec succès le radeau final au SLAC pour intégration dans la caméra. Ceci marque la fin d'un projet de 16 ans à Brookhaven, qui sera suivi de nombreuses années d'observation astronomique.

Bon nombre des membres talentueux de l'équipe recrutés à Brookhaven pour le projet LSST étaient de jeunes ingénieurs et techniciens embauchés dès leur sortie des études supérieures. Maintenant, ils ont tous été affectés à des projets de physique en cours au laboratoire, comme la mise à niveau du détecteur PHENIX du collisionneur d'ions lourds relativistes - une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science pour la recherche en physique nucléaire - en sPHENIX, ainsi que des travaux en cours avec le détecteur ATLAS du Grand collisionneur de hadrons du CERN. Brookhaven est le laboratoire hôte américain de la collaboration ATLAS

« Le rôle de Brookhaven dans le projet de caméra LSST a offert de nouvelles opportunités passionnantes aux ingénieurs, techniciens, et scientifiques en électro-optique, où des cahiers des charges très exigeants doivent être respectés, " Wahl a déclaré. " L'équipe multidisciplinaire que nous avons réunie a fait un excellent travail en atteignant les objectifs de conception et je suis fier du temps que nous avons passé ensemble. Voir des ingénieurs et des scientifiques débutants devenir des membres d'équipe très compétents a été extrêmement gratifiant."

Brookhaven Lab continuera à jouer un rôle important dans le LSST à l'avenir. Alors que le télescope traverse sa phase de mise en service, Les scientifiques de Brookhaven serviront d'experts sur le réseau de capteurs numériques de la caméra. Ils apporteront également un soutien lors des opérations du LSST, qui devraient débuter en 2022.

"La mise en service d'une caméra aussi complexe sera une entreprise passionnante et stimulante, " a déclaré le physicien de Brookhaven Andrei Nomerotski, qui dirige les contributions de Brookhaven aux phases de mise en service et d'exploitation du projet LSST. "Après des années d'utilisation de sources de signaux artificielles pour la caractérisation des capteurs, nous sommes impatients de voir de vraies étoiles et galaxies dans les CCD LSST."

Une fois opérationnel dans la cordillère des Andes, Le LSST desservira presque tous les sous-ensembles de la communauté astrophysique. Peut-être le plus important, Le LSST permettra aux scientifiques d'étudier l'énergie noire et la matière noire, deux énigmes qui déroutent les physiciens depuis des décennies. On estime également que LSST trouvera des millions d'astéroïdes dans notre système solaire, en plus d'offrir de nouvelles informations sur la création de notre galaxie. Les images capturées par le LSST seront immédiatement mises à la disposition des physiciens et des astronomes des États-Unis et du Chili, faisant du LSST l'une des expériences de cosmologie les plus avancées et les plus accessibles jamais créées. Heures supplémentaires, les données seront mises à la disposition du public dans le monde entier.