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Reach Cover Spring 2018

Reach est la revue du CIFAR. Reach met en vedette nos chercheurs et leurs percées par l’entremise d’articles de fonds, d’entrevues et d’illustrations. Reach est réalisée par le service des communications du CIFAR en collaboration avec des rédacteurs, des graphistes, des illustrateurs et des photographes pigistes.


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2019

  • Reach
  • Extrême univers et gravité

Regard sur les origines de l’Univers

par Dan Falk
avr. 1 / 15

 Canada Chimes in

L’astronome Keith Vanderlinde a étudié l’Univers dans des lieux assez reculés – le désert d’Atacama au Chili, par exemple, et même le pôle Sud –, mais ses travaux les plus récents, mettant en jeu un télescope exceptionnel de facture canadienne, l’amène à travailler dans des lieux beaucoup plus hospitaliers : la vallée de l’Okanagan, dans le sud de la Colombie-Britannique.


En raison de sa charge d’enseignement à l’Université de Toronto, Vanderlinde se rend en Colombie-Britannique surtout l’été, et cette partie de la province, au sud du lac Okanagan, est « infiniment plus plaisante » que l’Antarctique, dit-il en riant. « La route de Kelowna jusqu’au télescope est absolument magnifique. »

Le télescope en question est connu sous le nom de CHIME (pour Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment ou expérience canadienne de cartographie de l’hydrogène). Il n’est pas aussi polyvalent, ni coûteux que bien d’autres télescopes sur la planète, mais sa portée sera néanmoins sans précédent : il pourrait sous peu jeter de la lumière sur la mystérieuse « énergie sombre » qui détermine l’accélération de l’Univers.

Selon Vanderlinde, ancien Chercheur mondial de l’ICRA, « il s’agit d’un télescope sans égal sur la planète ».

Télescope demi-tube

CHIME prend forme sur le terrain du Dominion Radio Astrophysical Observatory, environ 20 kilomètres au sud de Penticton. Les lieux accueillent déjà plusieurs radiotélescopes de premier ordre, mais qu’à cela ne tienne, CHIME n’a jamais vraiment eu d’équivalent. Pour commencer, il n’a pas de gigantesque antenne parabolique orientable, comme celle dont se sert le personnage de Jodie Foster pour écouter les signaux extraterrestres dans le film Contact. CHIME se compose plutôt de quatre demi-cylindres d’acier, placés en parallèle, qui ressemblent chacun au demi-tube du planchiste. Chaque demi-cylindre fait 100 mètres de long et environ 20 mètres de large. Au cours des deux dernières années, les chercheurs ont travaillé à un demi-modèle du projet; au début 2015, on a commencé les travaux sur la version à échelle réelle.

Sur le plan de la superficie collectrice, CHIME se mesure aux plus grands télescopes orientables, comme celui de Green Bank (Virginie occidentale) qui fait 100 mètres de diamètre. Mais les similarités s’arrêtent là : CHIME n’est aucunement orientable. Il est immobile et ses demi-cylindres visent droit vers le ciel. Le long du centre de chaque demi-tube se trouve une « ligne d’alimentation » qui héberge 512 antennes radio distinctes.

« CHIME ne ressemble à aucun autre radiotélescope – vraiment, il est complètement différent de tout ce qui existe –, car il n’a aucune pièce mobile. », explique Matt Dobbs, Boursier principal de l’ICRA et professeur de physique et de génie informatique à l’Université McGill. « Il est là, immobile, et regarde droit vers le ciel. » Le télescope voit une fauchée nord-sud complète du ciel, de l’horizon nord à l’horizon sud en tout temps. À l’aide d’un équipement électronique sophistiqué et de beaucoup de puissance informatique, les astronomes peuvent retracer quelles ondes radio viennent de quelle direction dans le ciel.

Adam Hincks, a postdoctoral fellow at the University of British Columbia and a researcher on the CHIME project, climbs a ladder on the CHIME prototype. Photo: Jordan Manley
Adam Hincks, stagiaire postdoctoral à l’Université de la Colombie-Britannique et chercheur au projet CHIME, grimpe une échelle posée sur le prototype CHIME. (Photo: Jordan Manley)

« De la sorte, il s’agit essentiellement d’un télescope numérique », dit Dobbs. Avec un radiotélescope standard – et aussi avec un télescope optique ordinaire –, vous devez orienter l’appareil vers l’objet à l’étude. Mais pas dans le cas de CHIME. Il s’agit plutôt de « traiter toute l’information qui vient du ciel et de construire une image en traitant toutes les données simultanément en temps réel. La puissance de CHIME réside dans le fait que vous pouvez regarder dans toutes ces directions en même temps ». Une synchronisation ultra-sensible est l’élément le plus important : si vous savez précisément quand un signal radio atteint chaque antenne, il est possible d’en cerner la source dans le ciel avec une grande précision.

Le télescope lui-même est immobile, mais la Terre bouge et les astronomes vont en tirer profit. Au fil de la rotation de la planète, le regard des demi-cylindres balaie le ciel.

CHIME « peut voir tout le ciel du nord au sud, et ensuite, chaque nuit, quand la Terre termine une rotation complète, il voit aussi le ciel entier d’est en ouest », explique Dobbs. Avec la rotation de la Terre, CHIME crée une image du ciel entier. Dobbs fait une analogie avec la bande verte lumineuse qui se déplace le long d’un numériseur à plat.

Le télescope produira plus que des images en deux dimensions; ses images auront aussi de la profondeur. CHIME est particulièrement sensible au rayonnement associé aux nuages d’hydrogène gazeux qui composent le gros de la structure à grande échelle observée partout dans l’Univers (cela vient expliquer le « H » dans CHIME). Les antennes de CHIME surveillent quelque 2000 radiofréquences (ou canaux) à la fois. En raison de l’expansion continue de l’Univers, les nuages d’hydrogène plus lointains s’éloignent plus rapidement de nous que ceux qui sont plus prêts. Conséquemment, la fréquence des ondes radio émises par les nuages d’hydrogène est en corrélation avec leur distance : les ondes radio de nuages plus lointains étant plus longues que celles des nuages plus proches.

« Grâce à CHIME, on peut voir en 3D », dit Dobbs. Il appelle le résultat un « cube de données ». « On peut en enlever différentes couches, comme on fait avec les pelures d’un oignon, et chaque couche correspond à une période différente de l’expansion de l’Univers. »

An air duct keeps the electronics cool. Photo: Jordan Manley
Un conduit d’air protège l’électronique de la surchauffe. (Photo: Jordan Manley)

CHIME est une initiative canadienne à laquelle participe de nombreux membres du programme Cosmologie et gravité de l’ICRA. À sa tête on retrouve des chercheurs de l’Université de la Colombie-Britannique, de l’Université McGill et de l’Université de Toronto, ainsi que du Dominion Radio Astrophysical Observatory (DRAO). Mark Halpern (Université de la Colombie-Britannique), Boursier principal de l’ICRA, est le chercheur principal quant au financement des infrastructures. Aux côtés de Vanderlinde et Dobbs, on compte d’autres chercheurs de l’ICRA : le Boursier principal Gary Hinshaw de l’Université de la Colombie-Britannique, et les Boursiers principaux J. Richard Bond et Ue-Li Pen de l’Université de Toronto. Ce sont les travaux de Pen qui ont démontré pour la première fois le potentiel de la technique de cartographie de l’hydrogène. La boursière de la Fondation R. Howard Webster, Victoria Kaspi (Université McGill), est la chercheuse principale responsable d’une proposition de développement de CHIME pour étudier des signaux radio transitoires. La Boursière principale Ingrid Stairs et le Boursier associé Scott Ransom travaillent aussi à ce développement.

La gaffe d'Einstein

Pour comprendre le problème auquel travaillent les chercheurs, il faut commencer par le Big Bang. Cette explosion spatio-temporelle, il y a quelque 13,8 milliards d’années, a propulsé toute matière loin de toute autre matière. Au début, le cosmos était presque homogène, mais au fil de l’éternité, la gravité a commencé à installer un ordre dans le chaos. Sous l’attraction de la gravité, et malgré la poussée extérieure initiale du Big Bang, la matière a attiré la matière; des nuages de gaz et de poussières ont donné naissance aux premières étoiles et ces étoiles se sont réunies pour former les galaxies primordiales. Voilà du moins quel était le portrait standard jusqu’à la fin des années 1990, quand les astronomes ont découvert que l’Univers est non seulement en expansion, mais que cette expansion s’accélère. Quelle est la cause de cette accélération? Tout le monde l’ignore. Pour le moment, les physiciens supposent qu’il existe une substance qui s’oppose à la gravité et qui entraîne l’expansion de la matière. Ils appellent cette substance l’« énergie sombre ».

Mais il y a plus : l’énergie sombre, semble-t-il, n’a pas joué un rôle important dans l’histoire de l’Univers. Nous le savons, car notre portrait le plus clair du très jeune Univers – le fonds diffus cosmologique – ne porte aucun signe des effets de l’énergie sombre. Quand l’Univers était très jeune, il n’y avait « aucune quantité appréciable d’énergie sombre », dit Dobbs. Toutefois, aujourd’hui, « il y en a des tonnes et cela accélère l’expansion de l’Univers ». En faisant une extrapolation entre ces deux points, explique Dobbs, quand l’Univers avait entre le tiers et la moitié de son âge actuel, l’énergie sombre « a dû activer l’expansion et en est devenu le maître d’œuvre ».

Jusqu’à présent, nous n’avons aucun moyen de sonder cette période transitoire, car nous ne disposons tout simplement pas de données sur l’âge intermédiaire de l’Univers. En revanche, les astronomes ont étudié le fonds diffus cosmologique, l’« écho » du Big Bang, en détail. Ce rayonnement était, tel que noté, presque homogène, mais n’était pas, en fait, parfaitement lisse. Nos meilleures cartes du fonds diffus cosmologique montrent plutôt un motif composé de petites taches d’environ un degré de largeur, appelées « oscillations acoustiques baryoniques » : essentiellement, des régions de densité légèrement supérieure ou inférieure, comparativement à la moyenne. Au fil de milliards d’années, les « points chauds » de densité supérieure ont évolué pour constituer les amas galactiques qui composent les structures à large échelle que nous observons dans l’Univers aujourd’hui. Mais comment cela s’est-il produit?

« Nous sommes à la recherche d’une poussée de croissance qui a commencé environ à mi-parcours de l’âge actuel de l’Univers, moment où l’énergie sombre a pris le dessus », dit Dobbs.

The anechoic chamber at the Dominion Radio Astrophysical Observatory is completely shielded from outside radio waves. It’s used to test equipment for radio wave leakage before it is installed on or near a radio telescope. Photo: Jordan Manley
La chambre anéchogène du Dominion Radio Astrophysical Observatory est complètement isolée des ondes radio extérieures. Avant d’installer de l’équipement sur le télescope ou à proximité, on vérifie qu’il ne laisse pas fuir d’ondes radio. (Photo: Jordan Manley)

Comme tout ce qui concerne l’énergie sombre est mystérieux, le fait de mieux comprendre l’évolution de son rôle au fil du temps cosmologique ne peut qu’être utile pour arriver à la circonscrire. Une des possibilités est que l’énergie sombre corresponde à la substance qu’a imaginée Albert Einstein il y a cent ans quand il a introduit un facteur arbitraire à sa théorie de la gravité (connue sous le nom de relativité générale). Il croyait que ce terme mathématique supplémentaire était nécessaire pour maintenir la stabilité de l’Univers. Il l’a appelé la « constante cosmologique ». (Plus tard, quand Edwin Hubble a découvert que l’Univers était en expansion, Einstein a dit que ce facteur arbitraire était sa « plus grande gaffe ».)

« Peut-être que l’énergie sombre n’est qu’un simple tour mathématique, cette constante cosmologique qu’Einstein a introduite dans ses équations », dit Dobbs. « Mais cela n’aurait aucun intérêt. » Selon lui, une possibilité plus emballante est que quelque chose cloche dans notre compréhension de la gravité, « que les équations qui décrivent l’interaction gravitationnelle de la matière aux échelles les plus grandes ne sont pas tout à fait justes, que la relativité générale d’Einstein ne présente pas tout le portrait ». Les scientifiques croient déjà que la relativité générale ne peut être la théorie finale de la gravité, car elle est incompatible avec la mécanique quantique. Malheureusement, on a réalisé peu de progrès pour rapprocher ces deux cadres; la « gravité quantique » demeure insaisissable.

« Peut-être découvrirons-nous que l’énergie sombre est plus complexe que la simple constante cosmologique », dit Dobbs. « Peut-être révèlera-t-elle un indice sur la façon de réécrire les équations de la gravité pour y inclure éventuellement la mécanique quantique. »

Sursauts radio mystérieux

CHIME est conçu spécifiquement pour aborder le problème de l’énergie sombre, mais il pourrait éclaircir un autre problème astrophysique très différent. Depuis environ huit ans, les astronomes tentent de comprendre la nature de sursauts rapides d’ondes radio provenant de directions aléatoires dans le ciel, apparemment de distances cosmologiques. Ils ne durent que quelques millisecondes et disparaissent aussi rapidement qu’ils sont apparus. Et à notre connaissance, ils ne se répètent pas : chaque sursaut ne s’est produit qu’une fois. Les astronomes les ont surnommés « sursauts radio rapides ». Les six premiers ont été détectés par le radiotélescope Parkes en Australie, au début 2007; plus tard, on en a détecté un autre à l’aide de l’observatoire d’Arecibo à Porto Rico.

« On ignore complètement l’origine de ces sursauts radio rapides », dit Victoria Kaspi de l’Université McGill. Kaspi a réalisé beaucoup de recherches sur des phénomènes apparemment similaires, comme les pulsars et les sursauts gamma; néanmoins, les sursauts radio rapides demeurent un mystère.

The 26-metre steerable John A. Galt telescope. Photo: Jordan Manley
Le télescope orientable John A. Galt de 26 mètres. Photo: Jordan Manley

« Ils sont certainement en lien avec un nouveau phénomène jusqu’à présent inexpliqué, ce qui est toujours emballant », dit Ingrid Stairs, Boursière principale de l’ICRA.

Kaspi n’a pas participé à la proposition originale de CHIME, mais dès qu’elle a entendu parler de la conception singulière du télescope, elle s’est demandé s’il ne pourrait pas être utile aux recherches sur les sursauts radio rapides. Elle s’est rendu compte qu’il n’y aurait aucune modification à apporter au télescope; tout ce qu’il fallait c’était de l’électronique supplémentaire.

« J’ai compris que CHIME pourrait se révéler un outil extrêmement utile pour résoudre ce tout nouveau mystère », dit Kaspi. « Vous pouvez exploiter le signal et l’utiliser à une tout autre fin, même quand les autres travaillent à leurs objectifs, en même temps. Et il ne faudrait qu’un peu plus d’argent. » L’équipe du télescope a récemment soumis une proposition de financement pour l’expansion de CHIME – non pas en dimension, mais sur le plan de l’électronique – relativement au traitement des données. Si son projet va de l’avant, CHIME pourrait être un « un télescope de classe mondiale pour l’étude des sursauts radio rapides ».

Un des problèmes dans la chasse aux sursauts radio rapides réside dans le fait que les télescopes en jeu ont un champ de vision très étroit; ils peuvent examiner seulement une petite partie du ciel à la fois. Conséquemment, il n’est pas surprenant que seule une poignée de sursauts radio rapides aient été détectés jusqu’à présent. Mais un calcul simple à partir de ces quelques observations suggère que l’on pourrait observer quelque 10 000 sursauts radio rapides chaque jour si nous pouvions surveiller le ciel dans son intégralité. « Nous croyons qu’il s’agit en fait d’un phénomène incroyablement courant. Ils sont tout simplement difficiles à détecter », dit-elle. « Voilà où CHIME peut nous aider, car il voit une gigantesque portion du ciel en tout temps. »

Kaspi souligne que l’antenne gigantesque d’Arecibo ne peut observer qu’une toute petite région circulaire du ciel, un centième de la superficie de la pleine lune. CHIME, par comparaison, pourra couvrir environ 300 degrés carrés du ciel en tout temps. Il pourrait au bout du compte détecter environ 300 sursauts radio rapides par jour, dit-elle. « Grâce à CHIME, on pourrait vraiment régler ce problème. On pourrait commencer à détecter des centaines, voire des milliers de sursauts radio rapides chaque année. »

Tout comme pour l’énergie sombre, presque tout ce qui relève des sursauts radio rapides tient du mystère. Quelle est leur distribution céleste? Y a-t-il un lien avec les galaxies ou d’autres structures observables par un télescope optique?

« C’est vraiment amusant de pouvoir s’attaquer à un tout nouveau problème », dit Kaspi. « Pleins de groupes partout sur la planète tentent leur chance, mais CHIME pourrait être un chef de file mondial en la matière. »

Technologie des jeux vidéo

La conception de CHIME est terriblement simple, et pourtant, même si les gens en ont parlé au fil des ans, personne ne s’était encore lancé dans la construction d’un tel télescope. « Depuis peu, il est possible de construire à peu de frais un très bon amplificateur. Tout d’un coup, le récepteur est à petit prix, et la grosse dépense c’est le réflecteur mobile », dit Halpern. Comme mentionne Vanderlinde, « On coupe l’herbe sous le pied de tout le monde, à une petite fraction du prix ». En effet, le coût total de CHIME monte à 11,5 millions de dollars. C’est très peu comparativement à la plupart des autres grands projets en physique et en astronomie. Par exemple, le télescope géant européen qui devrait s’achever en 2024 coûtera plus d’un milliard d’euros.

Il y a une raison pour laquelle l’électronique du télescope est peu coûteuse. Elle a recours au traitement de signaux à grande échelle et à la manipulation de grands volumes de données, les mêmes processus qui se trouvent au cœur des industries en plein essor du téléphone cellulaire et des jeux vidéo. « CHIME exploite ces deux technologies d’une importance commerciale capitale et semble dire “Génial, on peut fabriquer un télescope fantastique comme ça!” », dit Kaspi. « Il s’agit d’une situation où le Canada réalise des activités scientifiques très intéressantes, mais où la science a aussi des répercussions économiques et des applications extraordinaires. »

A telescope from the 1960s made with wires strung from poles. Photo: Jordan Manley
Un télescope des années 1960 fait de câbles tendus à des poteaux. (Photo: Jordan Manley)

Une partie de l’électronique, comme les cartes vidéo utilisées dans des systèmes de jeux haut de gamme, est standard, mais le télescope requiert aussi des éléments de conception et une programmation sur mesure. Au moment de la mise en service, il sera doté du plus grand corrélateur radio au monde qui pourra traiter une bande passante radio équivalente à tous les signaux cellulaires du monde combinés. « Il ne s’agit pas de pièces de série », dit Dobbs.

Conséquemment, la prochaine fois que vous utiliserez votre téléphone cellulaire ou que vous verrez vos enfants jouer à Grand Theft Auto, pensez au fait que cette même technologie peut aller bien plus loin que le clavardage entre conjoints ou la simulation d’une dispute ou d’un meurtre. Elle peut aussi contribuer à résoudre certains des plus profonds mystères de l’Univers – grâce à un télescope canadien novateur au cœur de la vallée de l’Okanagan.

Printemps 2018

  • Reach
  • Extrême univers et gravité

Regard sur les origines de l’Univers

par Dan Falk
avr. 1 / 15

 Canada Chimes in

L’astronome Keith Vanderlinde a étudié l’Univers dans des lieux assez reculés – le désert d’Atacama au Chili, par exemple, et même le pôle Sud –, mais ses travaux les plus récents, mettant en jeu un télescope exceptionnel de facture canadienne, l’amène à travailler dans des lieux beaucoup plus hospitaliers : la vallée de l’Okanagan, dans le sud de la Colombie-Britannique.


En raison de sa charge d’enseignement à l’Université de Toronto, Vanderlinde se rend en Colombie-Britannique surtout l’été, et cette partie de la province, au sud du lac Okanagan, est « infiniment plus plaisante » que l’Antarctique, dit-il en riant. « La route de Kelowna jusqu’au télescope est absolument magnifique. »

Le télescope en question est connu sous le nom de CHIME (pour Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment ou expérience canadienne de cartographie de l’hydrogène). Il n’est pas aussi polyvalent, ni coûteux que bien d’autres télescopes sur la planète, mais sa portée sera néanmoins sans précédent : il pourrait sous peu jeter de la lumière sur la mystérieuse « énergie sombre » qui détermine l’accélération de l’Univers.

Selon Vanderlinde, ancien Chercheur mondial de l’ICRA, « il s’agit d’un télescope sans égal sur la planète ».

Télescope demi-tube

CHIME prend forme sur le terrain du Dominion Radio Astrophysical Observatory, environ 20 kilomètres au sud de Penticton. Les lieux accueillent déjà plusieurs radiotélescopes de premier ordre, mais qu’à cela ne tienne, CHIME n’a jamais vraiment eu d’équivalent. Pour commencer, il n’a pas de gigantesque antenne parabolique orientable, comme celle dont se sert le personnage de Jodie Foster pour écouter les signaux extraterrestres dans le film Contact. CHIME se compose plutôt de quatre demi-cylindres d’acier, placés en parallèle, qui ressemblent chacun au demi-tube du planchiste. Chaque demi-cylindre fait 100 mètres de long et environ 20 mètres de large. Au cours des deux dernières années, les chercheurs ont travaillé à un demi-modèle du projet; au début 2015, on a commencé les travaux sur la version à échelle réelle.

Sur le plan de la superficie collectrice, CHIME se mesure aux plus grands télescopes orientables, comme celui de Green Bank (Virginie occidentale) qui fait 100 mètres de diamètre. Mais les similarités s’arrêtent là : CHIME n’est aucunement orientable. Il est immobile et ses demi-cylindres visent droit vers le ciel. Le long du centre de chaque demi-tube se trouve une « ligne d’alimentation » qui héberge 512 antennes radio distinctes.

« CHIME ne ressemble à aucun autre radiotélescope – vraiment, il est complètement différent de tout ce qui existe –, car il n’a aucune pièce mobile. », explique Matt Dobbs, Boursier principal de l’ICRA et professeur de physique et de génie informatique à l’Université McGill. « Il est là, immobile, et regarde droit vers le ciel. » Le télescope voit une fauchée nord-sud complète du ciel, de l’horizon nord à l’horizon sud en tout temps. À l’aide d’un équipement électronique sophistiqué et de beaucoup de puissance informatique, les astronomes peuvent retracer quelles ondes radio viennent de quelle direction dans le ciel.

Adam Hincks, a postdoctoral fellow at the University of British Columbia and a researcher on the CHIME project, climbs a ladder on the CHIME prototype. Photo: Jordan Manley
Adam Hincks, stagiaire postdoctoral à l’Université de la Colombie-Britannique et chercheur au projet CHIME, grimpe une échelle posée sur le prototype CHIME. (Photo: Jordan Manley)

« De la sorte, il s’agit essentiellement d’un télescope numérique », dit Dobbs. Avec un radiotélescope standard – et aussi avec un télescope optique ordinaire –, vous devez orienter l’appareil vers l’objet à l’étude. Mais pas dans le cas de CHIME. Il s’agit plutôt de « traiter toute l’information qui vient du ciel et de construire une image en traitant toutes les données simultanément en temps réel. La puissance de CHIME réside dans le fait que vous pouvez regarder dans toutes ces directions en même temps ». Une synchronisation ultra-sensible est l’élément le plus important : si vous savez précisément quand un signal radio atteint chaque antenne, il est possible d’en cerner la source dans le ciel avec une grande précision.

Le télescope lui-même est immobile, mais la Terre bouge et les astronomes vont en tirer profit. Au fil de la rotation de la planète, le regard des demi-cylindres balaie le ciel.

CHIME « peut voir tout le ciel du nord au sud, et ensuite, chaque nuit, quand la Terre termine une rotation complète, il voit aussi le ciel entier d’est en ouest », explique Dobbs. Avec la rotation de la Terre, CHIME crée une image du ciel entier. Dobbs fait une analogie avec la bande verte lumineuse qui se déplace le long d’un numériseur à plat.

Le télescope produira plus que des images en deux dimensions; ses images auront aussi de la profondeur. CHIME est particulièrement sensible au rayonnement associé aux nuages d’hydrogène gazeux qui composent le gros de la structure à grande échelle observée partout dans l’Univers (cela vient expliquer le « H » dans CHIME). Les antennes de CHIME surveillent quelque 2000 radiofréquences (ou canaux) à la fois. En raison de l’expansion continue de l’Univers, les nuages d’hydrogène plus lointains s’éloignent plus rapidement de nous que ceux qui sont plus prêts. Conséquemment, la fréquence des ondes radio émises par les nuages d’hydrogène est en corrélation avec leur distance : les ondes radio de nuages plus lointains étant plus longues que celles des nuages plus proches.

« Grâce à CHIME, on peut voir en 3D », dit Dobbs. Il appelle le résultat un « cube de données ». « On peut en enlever différentes couches, comme on fait avec les pelures d’un oignon, et chaque couche correspond à une période différente de l’expansion de l’Univers. »

An air duct keeps the electronics cool. Photo: Jordan Manley
Un conduit d’air protège l’électronique de la surchauffe. (Photo: Jordan Manley)

CHIME est une initiative canadienne à laquelle participe de nombreux membres du programme Cosmologie et gravité de l’ICRA. À sa tête on retrouve des chercheurs de l’Université de la Colombie-Britannique, de l’Université McGill et de l’Université de Toronto, ainsi que du Dominion Radio Astrophysical Observatory (DRAO). Mark Halpern (Université de la Colombie-Britannique), Boursier principal de l’ICRA, est le chercheur principal quant au financement des infrastructures. Aux côtés de Vanderlinde et Dobbs, on compte d’autres chercheurs de l’ICRA : le Boursier principal Gary Hinshaw de l’Université de la Colombie-Britannique, et les Boursiers principaux J. Richard Bond et Ue-Li Pen de l’Université de Toronto. Ce sont les travaux de Pen qui ont démontré pour la première fois le potentiel de la technique de cartographie de l’hydrogène. La boursière de la Fondation R. Howard Webster, Victoria Kaspi (Université McGill), est la chercheuse principale responsable d’une proposition de développement de CHIME pour étudier des signaux radio transitoires. La Boursière principale Ingrid Stairs et le Boursier associé Scott Ransom travaillent aussi à ce développement.

La gaffe d'Einstein

Pour comprendre le problème auquel travaillent les chercheurs, il faut commencer par le Big Bang. Cette explosion spatio-temporelle, il y a quelque 13,8 milliards d’années, a propulsé toute matière loin de toute autre matière. Au début, le cosmos était presque homogène, mais au fil de l’éternité, la gravité a commencé à installer un ordre dans le chaos. Sous l’attraction de la gravité, et malgré la poussée extérieure initiale du Big Bang, la matière a attiré la matière; des nuages de gaz et de poussières ont donné naissance aux premières étoiles et ces étoiles se sont réunies pour former les galaxies primordiales. Voilà du moins quel était le portrait standard jusqu’à la fin des années 1990, quand les astronomes ont découvert que l’Univers est non seulement en expansion, mais que cette expansion s’accélère. Quelle est la cause de cette accélération? Tout le monde l’ignore. Pour le moment, les physiciens supposent qu’il existe une substance qui s’oppose à la gravité et qui entraîne l’expansion de la matière. Ils appellent cette substance l’« énergie sombre ».

Mais il y a plus : l’énergie sombre, semble-t-il, n’a pas joué un rôle important dans l’histoire de l’Univers. Nous le savons, car notre portrait le plus clair du très jeune Univers – le fonds diffus cosmologique – ne porte aucun signe des effets de l’énergie sombre. Quand l’Univers était très jeune, il n’y avait « aucune quantité appréciable d’énergie sombre », dit Dobbs. Toutefois, aujourd’hui, « il y en a des tonnes et cela accélère l’expansion de l’Univers ». En faisant une extrapolation entre ces deux points, explique Dobbs, quand l’Univers avait entre le tiers et la moitié de son âge actuel, l’énergie sombre « a dû activer l’expansion et en est devenu le maître d’œuvre ».

Jusqu’à présent, nous n’avons aucun moyen de sonder cette période transitoire, car nous ne disposons tout simplement pas de données sur l’âge intermédiaire de l’Univers. En revanche, les astronomes ont étudié le fonds diffus cosmologique, l’« écho » du Big Bang, en détail. Ce rayonnement était, tel que noté, presque homogène, mais n’était pas, en fait, parfaitement lisse. Nos meilleures cartes du fonds diffus cosmologique montrent plutôt un motif composé de petites taches d’environ un degré de largeur, appelées « oscillations acoustiques baryoniques » : essentiellement, des régions de densité légèrement supérieure ou inférieure, comparativement à la moyenne. Au fil de milliards d’années, les « points chauds » de densité supérieure ont évolué pour constituer les amas galactiques qui composent les structures à large échelle que nous observons dans l’Univers aujourd’hui. Mais comment cela s’est-il produit?

« Nous sommes à la recherche d’une poussée de croissance qui a commencé environ à mi-parcours de l’âge actuel de l’Univers, moment où l’énergie sombre a pris le dessus », dit Dobbs.

The anechoic chamber at the Dominion Radio Astrophysical Observatory is completely shielded from outside radio waves. It’s used to test equipment for radio wave leakage before it is installed on or near a radio telescope. Photo: Jordan Manley
La chambre anéchogène du Dominion Radio Astrophysical Observatory est complètement isolée des ondes radio extérieures. Avant d’installer de l’équipement sur le télescope ou à proximité, on vérifie qu’il ne laisse pas fuir d’ondes radio. (Photo: Jordan Manley)

Comme tout ce qui concerne l’énergie sombre est mystérieux, le fait de mieux comprendre l’évolution de son rôle au fil du temps cosmologique ne peut qu’être utile pour arriver à la circonscrire. Une des possibilités est que l’énergie sombre corresponde à la substance qu’a imaginée Albert Einstein il y a cent ans quand il a introduit un facteur arbitraire à sa théorie de la gravité (connue sous le nom de relativité générale). Il croyait que ce terme mathématique supplémentaire était nécessaire pour maintenir la stabilité de l’Univers. Il l’a appelé la « constante cosmologique ». (Plus tard, quand Edwin Hubble a découvert que l’Univers était en expansion, Einstein a dit que ce facteur arbitraire était sa « plus grande gaffe ».)

« Peut-être que l’énergie sombre n’est qu’un simple tour mathématique, cette constante cosmologique qu’Einstein a introduite dans ses équations », dit Dobbs. « Mais cela n’aurait aucun intérêt. » Selon lui, une possibilité plus emballante est que quelque chose cloche dans notre compréhension de la gravité, « que les équations qui décrivent l’interaction gravitationnelle de la matière aux échelles les plus grandes ne sont pas tout à fait justes, que la relativité générale d’Einstein ne présente pas tout le portrait ». Les scientifiques croient déjà que la relativité générale ne peut être la théorie finale de la gravité, car elle est incompatible avec la mécanique quantique. Malheureusement, on a réalisé peu de progrès pour rapprocher ces deux cadres; la « gravité quantique » demeure insaisissable.

« Peut-être découvrirons-nous que l’énergie sombre est plus complexe que la simple constante cosmologique », dit Dobbs. « Peut-être révèlera-t-elle un indice sur la façon de réécrire les équations de la gravité pour y inclure éventuellement la mécanique quantique. »

Sursauts radio mystérieux

CHIME est conçu spécifiquement pour aborder le problème de l’énergie sombre, mais il pourrait éclaircir un autre problème astrophysique très différent. Depuis environ huit ans, les astronomes tentent de comprendre la nature de sursauts rapides d’ondes radio provenant de directions aléatoires dans le ciel, apparemment de distances cosmologiques. Ils ne durent que quelques millisecondes et disparaissent aussi rapidement qu’ils sont apparus. Et à notre connaissance, ils ne se répètent pas : chaque sursaut ne s’est produit qu’une fois. Les astronomes les ont surnommés « sursauts radio rapides ». Les six premiers ont été détectés par le radiotélescope Parkes en Australie, au début 2007; plus tard, on en a détecté un autre à l’aide de l’observatoire d’Arecibo à Porto Rico.

« On ignore complètement l’origine de ces sursauts radio rapides », dit Victoria Kaspi de l’Université McGill. Kaspi a réalisé beaucoup de recherches sur des phénomènes apparemment similaires, comme les pulsars et les sursauts gamma; néanmoins, les sursauts radio rapides demeurent un mystère.

The 26-metre steerable John A. Galt telescope. Photo: Jordan Manley
Le télescope orientable John A. Galt de 26 mètres. Photo: Jordan Manley

« Ils sont certainement en lien avec un nouveau phénomène jusqu’à présent inexpliqué, ce qui est toujours emballant », dit Ingrid Stairs, Boursière principale de l’ICRA.

Kaspi n’a pas participé à la proposition originale de CHIME, mais dès qu’elle a entendu parler de la conception singulière du télescope, elle s’est demandé s’il ne pourrait pas être utile aux recherches sur les sursauts radio rapides. Elle s’est rendu compte qu’il n’y aurait aucune modification à apporter au télescope; tout ce qu’il fallait c’était de l’électronique supplémentaire.

« J’ai compris que CHIME pourrait se révéler un outil extrêmement utile pour résoudre ce tout nouveau mystère », dit Kaspi. « Vous pouvez exploiter le signal et l’utiliser à une tout autre fin, même quand les autres travaillent à leurs objectifs, en même temps. Et il ne faudrait qu’un peu plus d’argent. » L’équipe du télescope a récemment soumis une proposition de financement pour l’expansion de CHIME – non pas en dimension, mais sur le plan de l’électronique – relativement au traitement des données. Si son projet va de l’avant, CHIME pourrait être un « un télescope de classe mondiale pour l’étude des sursauts radio rapides ».

Un des problèmes dans la chasse aux sursauts radio rapides réside dans le fait que les télescopes en jeu ont un champ de vision très étroit; ils peuvent examiner seulement une petite partie du ciel à la fois. Conséquemment, il n’est pas surprenant que seule une poignée de sursauts radio rapides aient été détectés jusqu’à présent. Mais un calcul simple à partir de ces quelques observations suggère que l’on pourrait observer quelque 10 000 sursauts radio rapides chaque jour si nous pouvions surveiller le ciel dans son intégralité. « Nous croyons qu’il s’agit en fait d’un phénomène incroyablement courant. Ils sont tout simplement difficiles à détecter », dit-elle. « Voilà où CHIME peut nous aider, car il voit une gigantesque portion du ciel en tout temps. »

Kaspi souligne que l’antenne gigantesque d’Arecibo ne peut observer qu’une toute petite région circulaire du ciel, un centième de la superficie de la pleine lune. CHIME, par comparaison, pourra couvrir environ 300 degrés carrés du ciel en tout temps. Il pourrait au bout du compte détecter environ 300 sursauts radio rapides par jour, dit-elle. « Grâce à CHIME, on pourrait vraiment régler ce problème. On pourrait commencer à détecter des centaines, voire des milliers de sursauts radio rapides chaque année. »

Tout comme pour l’énergie sombre, presque tout ce qui relève des sursauts radio rapides tient du mystère. Quelle est leur distribution céleste? Y a-t-il un lien avec les galaxies ou d’autres structures observables par un télescope optique?

« C’est vraiment amusant de pouvoir s’attaquer à un tout nouveau problème », dit Kaspi. « Pleins de groupes partout sur la planète tentent leur chance, mais CHIME pourrait être un chef de file mondial en la matière. »

Technologie des jeux vidéo

La conception de CHIME est terriblement simple, et pourtant, même si les gens en ont parlé au fil des ans, personne ne s’était encore lancé dans la construction d’un tel télescope. « Depuis peu, il est possible de construire à peu de frais un très bon amplificateur. Tout d’un coup, le récepteur est à petit prix, et la grosse dépense c’est le réflecteur mobile », dit Halpern. Comme mentionne Vanderlinde, « On coupe l’herbe sous le pied de tout le monde, à une petite fraction du prix ». En effet, le coût total de CHIME monte à 11,5 millions de dollars. C’est très peu comparativement à la plupart des autres grands projets en physique et en astronomie. Par exemple, le télescope géant européen qui devrait s’achever en 2024 coûtera plus d’un milliard d’euros.

Il y a une raison pour laquelle l’électronique du télescope est peu coûteuse. Elle a recours au traitement de signaux à grande échelle et à la manipulation de grands volumes de données, les mêmes processus qui se trouvent au cœur des industries en plein essor du téléphone cellulaire et des jeux vidéo. « CHIME exploite ces deux technologies d’une importance commerciale capitale et semble dire “Génial, on peut fabriquer un télescope fantastique comme ça!” », dit Kaspi. « Il s’agit d’une situation où le Canada réalise des activités scientifiques très intéressantes, mais où la science a aussi des répercussions économiques et des applications extraordinaires. »

A telescope from the 1960s made with wires strung from poles. Photo: Jordan Manley
Un télescope des années 1960 fait de câbles tendus à des poteaux. (Photo: Jordan Manley)

Une partie de l’électronique, comme les cartes vidéo utilisées dans des systèmes de jeux haut de gamme, est standard, mais le télescope requiert aussi des éléments de conception et une programmation sur mesure. Au moment de la mise en service, il sera doté du plus grand corrélateur radio au monde qui pourra traiter une bande passante radio équivalente à tous les signaux cellulaires du monde combinés. « Il ne s’agit pas de pièces de série », dit Dobbs.

Conséquemment, la prochaine fois que vous utiliserez votre téléphone cellulaire ou que vous verrez vos enfants jouer à Grand Theft Auto, pensez au fait que cette même technologie peut aller bien plus loin que le clavardage entre conjoints ou la simulation d’une dispute ou d’un meurtre. Elle peut aussi contribuer à résoudre certains des plus profonds mystères de l’Univers – grâce à un télescope canadien novateur au cœur de la vallée de l’Okanagan.

Printemps 2017

  • Reach
  • Extrême univers et gravité

Regard sur les origines de l’Univers

par Dan Falk
avr. 1 / 15

 Canada Chimes in

L’astronome Keith Vanderlinde a étudié l’Univers dans des lieux assez reculés – le désert d’Atacama au Chili, par exemple, et même le pôle Sud –, mais ses travaux les plus récents, mettant en jeu un télescope exceptionnel de facture canadienne, l’amène à travailler dans des lieux beaucoup plus hospitaliers : la vallée de l’Okanagan, dans le sud de la Colombie-Britannique.


En raison de sa charge d’enseignement à l’Université de Toronto, Vanderlinde se rend en Colombie-Britannique surtout l’été, et cette partie de la province, au sud du lac Okanagan, est « infiniment plus plaisante » que l’Antarctique, dit-il en riant. « La route de Kelowna jusqu’au télescope est absolument magnifique. »

Le télescope en question est connu sous le nom de CHIME (pour Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment ou expérience canadienne de cartographie de l’hydrogène). Il n’est pas aussi polyvalent, ni coûteux que bien d’autres télescopes sur la planète, mais sa portée sera néanmoins sans précédent : il pourrait sous peu jeter de la lumière sur la mystérieuse « énergie sombre » qui détermine l’accélération de l’Univers.

Selon Vanderlinde, ancien Chercheur mondial de l’ICRA, « il s’agit d’un télescope sans égal sur la planète ».

Télescope demi-tube

CHIME prend forme sur le terrain du Dominion Radio Astrophysical Observatory, environ 20 kilomètres au sud de Penticton. Les lieux accueillent déjà plusieurs radiotélescopes de premier ordre, mais qu’à cela ne tienne, CHIME n’a jamais vraiment eu d’équivalent. Pour commencer, il n’a pas de gigantesque antenne parabolique orientable, comme celle dont se sert le personnage de Jodie Foster pour écouter les signaux extraterrestres dans le film Contact. CHIME se compose plutôt de quatre demi-cylindres d’acier, placés en parallèle, qui ressemblent chacun au demi-tube du planchiste. Chaque demi-cylindre fait 100 mètres de long et environ 20 mètres de large. Au cours des deux dernières années, les chercheurs ont travaillé à un demi-modèle du projet; au début 2015, on a commencé les travaux sur la version à échelle réelle.

Sur le plan de la superficie collectrice, CHIME se mesure aux plus grands télescopes orientables, comme celui de Green Bank (Virginie occidentale) qui fait 100 mètres de diamètre. Mais les similarités s’arrêtent là : CHIME n’est aucunement orientable. Il est immobile et ses demi-cylindres visent droit vers le ciel. Le long du centre de chaque demi-tube se trouve une « ligne d’alimentation » qui héberge 512 antennes radio distinctes.

« CHIME ne ressemble à aucun autre radiotélescope – vraiment, il est complètement différent de tout ce qui existe –, car il n’a aucune pièce mobile. », explique Matt Dobbs, Boursier principal de l’ICRA et professeur de physique et de génie informatique à l’Université McGill. « Il est là, immobile, et regarde droit vers le ciel. » Le télescope voit une fauchée nord-sud complète du ciel, de l’horizon nord à l’horizon sud en tout temps. À l’aide d’un équipement électronique sophistiqué et de beaucoup de puissance informatique, les astronomes peuvent retracer quelles ondes radio viennent de quelle direction dans le ciel.

Adam Hincks, a postdoctoral fellow at the University of British Columbia and a researcher on the CHIME project, climbs a ladder on the CHIME prototype. Photo: Jordan Manley
Adam Hincks, stagiaire postdoctoral à l’Université de la Colombie-Britannique et chercheur au projet CHIME, grimpe une échelle posée sur le prototype CHIME. (Photo: Jordan Manley)

« De la sorte, il s’agit essentiellement d’un télescope numérique », dit Dobbs. Avec un radiotélescope standard – et aussi avec un télescope optique ordinaire –, vous devez orienter l’appareil vers l’objet à l’étude. Mais pas dans le cas de CHIME. Il s’agit plutôt de « traiter toute l’information qui vient du ciel et de construire une image en traitant toutes les données simultanément en temps réel. La puissance de CHIME réside dans le fait que vous pouvez regarder dans toutes ces directions en même temps ». Une synchronisation ultra-sensible est l’élément le plus important : si vous savez précisément quand un signal radio atteint chaque antenne, il est possible d’en cerner la source dans le ciel avec une grande précision.

Le télescope lui-même est immobile, mais la Terre bouge et les astronomes vont en tirer profit. Au fil de la rotation de la planète, le regard des demi-cylindres balaie le ciel.

CHIME « peut voir tout le ciel du nord au sud, et ensuite, chaque nuit, quand la Terre termine une rotation complète, il voit aussi le ciel entier d’est en ouest », explique Dobbs. Avec la rotation de la Terre, CHIME crée une image du ciel entier. Dobbs fait une analogie avec la bande verte lumineuse qui se déplace le long d’un numériseur à plat.

Le télescope produira plus que des images en deux dimensions; ses images auront aussi de la profondeur. CHIME est particulièrement sensible au rayonnement associé aux nuages d’hydrogène gazeux qui composent le gros de la structure à grande échelle observée partout dans l’Univers (cela vient expliquer le « H » dans CHIME). Les antennes de CHIME surveillent quelque 2000 radiofréquences (ou canaux) à la fois. En raison de l’expansion continue de l’Univers, les nuages d’hydrogène plus lointains s’éloignent plus rapidement de nous que ceux qui sont plus prêts. Conséquemment, la fréquence des ondes radio émises par les nuages d’hydrogène est en corrélation avec leur distance : les ondes radio de nuages plus lointains étant plus longues que celles des nuages plus proches.

« Grâce à CHIME, on peut voir en 3D », dit Dobbs. Il appelle le résultat un « cube de données ». « On peut en enlever différentes couches, comme on fait avec les pelures d’un oignon, et chaque couche correspond à une période différente de l’expansion de l’Univers. »

An air duct keeps the electronics cool. Photo: Jordan Manley
Un conduit d’air protège l’électronique de la surchauffe. (Photo: Jordan Manley)

CHIME est une initiative canadienne à laquelle participe de nombreux membres du programme Cosmologie et gravité de l’ICRA. À sa tête on retrouve des chercheurs de l’Université de la Colombie-Britannique, de l’Université McGill et de l’Université de Toronto, ainsi que du Dominion Radio Astrophysical Observatory (DRAO). Mark Halpern (Université de la Colombie-Britannique), Boursier principal de l’ICRA, est le chercheur principal quant au financement des infrastructures. Aux côtés de Vanderlinde et Dobbs, on compte d’autres chercheurs de l’ICRA : le Boursier principal Gary Hinshaw de l’Université de la Colombie-Britannique, et les Boursiers principaux J. Richard Bond et Ue-Li Pen de l’Université de Toronto. Ce sont les travaux de Pen qui ont démontré pour la première fois le potentiel de la technique de cartographie de l’hydrogène. La boursière de la Fondation R. Howard Webster, Victoria Kaspi (Université McGill), est la chercheuse principale responsable d’une proposition de développement de CHIME pour étudier des signaux radio transitoires. La Boursière principale Ingrid Stairs et le Boursier associé Scott Ransom travaillent aussi à ce développement.

La gaffe d'Einstein

Pour comprendre le problème auquel travaillent les chercheurs, il faut commencer par le Big Bang. Cette explosion spatio-temporelle, il y a quelque 13,8 milliards d’années, a propulsé toute matière loin de toute autre matière. Au début, le cosmos était presque homogène, mais au fil de l’éternité, la gravité a commencé à installer un ordre dans le chaos. Sous l’attraction de la gravité, et malgré la poussée extérieure initiale du Big Bang, la matière a attiré la matière; des nuages de gaz et de poussières ont donné naissance aux premières étoiles et ces étoiles se sont réunies pour former les galaxies primordiales. Voilà du moins quel était le portrait standard jusqu’à la fin des années 1990, quand les astronomes ont découvert que l’Univers est non seulement en expansion, mais que cette expansion s’accélère. Quelle est la cause de cette accélération? Tout le monde l’ignore. Pour le moment, les physiciens supposent qu’il existe une substance qui s’oppose à la gravité et qui entraîne l’expansion de la matière. Ils appellent cette substance l’« énergie sombre ».

Mais il y a plus : l’énergie sombre, semble-t-il, n’a pas joué un rôle important dans l’histoire de l’Univers. Nous le savons, car notre portrait le plus clair du très jeune Univers – le fonds diffus cosmologique – ne porte aucun signe des effets de l’énergie sombre. Quand l’Univers était très jeune, il n’y avait « aucune quantité appréciable d’énergie sombre », dit Dobbs. Toutefois, aujourd’hui, « il y en a des tonnes et cela accélère l’expansion de l’Univers ». En faisant une extrapolation entre ces deux points, explique Dobbs, quand l’Univers avait entre le tiers et la moitié de son âge actuel, l’énergie sombre « a dû activer l’expansion et en est devenu le maître d’œuvre ».

Jusqu’à présent, nous n’avons aucun moyen de sonder cette période transitoire, car nous ne disposons tout simplement pas de données sur l’âge intermédiaire de l’Univers. En revanche, les astronomes ont étudié le fonds diffus cosmologique, l’« écho » du Big Bang, en détail. Ce rayonnement était, tel que noté, presque homogène, mais n’était pas, en fait, parfaitement lisse. Nos meilleures cartes du fonds diffus cosmologique montrent plutôt un motif composé de petites taches d’environ un degré de largeur, appelées « oscillations acoustiques baryoniques » : essentiellement, des régions de densité légèrement supérieure ou inférieure, comparativement à la moyenne. Au fil de milliards d’années, les « points chauds » de densité supérieure ont évolué pour constituer les amas galactiques qui composent les structures à large échelle que nous observons dans l’Univers aujourd’hui. Mais comment cela s’est-il produit?

« Nous sommes à la recherche d’une poussée de croissance qui a commencé environ à mi-parcours de l’âge actuel de l’Univers, moment où l’énergie sombre a pris le dessus », dit Dobbs.

The anechoic chamber at the Dominion Radio Astrophysical Observatory is completely shielded from outside radio waves. It’s used to test equipment for radio wave leakage before it is installed on or near a radio telescope. Photo: Jordan Manley
La chambre anéchogène du Dominion Radio Astrophysical Observatory est complètement isolée des ondes radio extérieures. Avant d’installer de l’équipement sur le télescope ou à proximité, on vérifie qu’il ne laisse pas fuir d’ondes radio. (Photo: Jordan Manley)

Comme tout ce qui concerne l’énergie sombre est mystérieux, le fait de mieux comprendre l’évolution de son rôle au fil du temps cosmologique ne peut qu’être utile pour arriver à la circonscrire. Une des possibilités est que l’énergie sombre corresponde à la substance qu’a imaginée Albert Einstein il y a cent ans quand il a introduit un facteur arbitraire à sa théorie de la gravité (connue sous le nom de relativité générale). Il croyait que ce terme mathématique supplémentaire était nécessaire pour maintenir la stabilité de l’Univers. Il l’a appelé la « constante cosmologique ». (Plus tard, quand Edwin Hubble a découvert que l’Univers était en expansion, Einstein a dit que ce facteur arbitraire était sa « plus grande gaffe ».)

« Peut-être que l’énergie sombre n’est qu’un simple tour mathématique, cette constante cosmologique qu’Einstein a introduite dans ses équations », dit Dobbs. « Mais cela n’aurait aucun intérêt. » Selon lui, une possibilité plus emballante est que quelque chose cloche dans notre compréhension de la gravité, « que les équations qui décrivent l’interaction gravitationnelle de la matière aux échelles les plus grandes ne sont pas tout à fait justes, que la relativité générale d’Einstein ne présente pas tout le portrait ». Les scientifiques croient déjà que la relativité générale ne peut être la théorie finale de la gravité, car elle est incompatible avec la mécanique quantique. Malheureusement, on a réalisé peu de progrès pour rapprocher ces deux cadres; la « gravité quantique » demeure insaisissable.

« Peut-être découvrirons-nous que l’énergie sombre est plus complexe que la simple constante cosmologique », dit Dobbs. « Peut-être révèlera-t-elle un indice sur la façon de réécrire les équations de la gravité pour y inclure éventuellement la mécanique quantique. »

Sursauts radio mystérieux

CHIME est conçu spécifiquement pour aborder le problème de l’énergie sombre, mais il pourrait éclaircir un autre problème astrophysique très différent. Depuis environ huit ans, les astronomes tentent de comprendre la nature de sursauts rapides d’ondes radio provenant de directions aléatoires dans le ciel, apparemment de distances cosmologiques. Ils ne durent que quelques millisecondes et disparaissent aussi rapidement qu’ils sont apparus. Et à notre connaissance, ils ne se répètent pas : chaque sursaut ne s’est produit qu’une fois. Les astronomes les ont surnommés « sursauts radio rapides ». Les six premiers ont été détectés par le radiotélescope Parkes en Australie, au début 2007; plus tard, on en a détecté un autre à l’aide de l’observatoire d’Arecibo à Porto Rico.

« On ignore complètement l’origine de ces sursauts radio rapides », dit Victoria Kaspi de l’Université McGill. Kaspi a réalisé beaucoup de recherches sur des phénomènes apparemment similaires, comme les pulsars et les sursauts gamma; néanmoins, les sursauts radio rapides demeurent un mystère.

The 26-metre steerable John A. Galt telescope. Photo: Jordan Manley
Le télescope orientable John A. Galt de 26 mètres. Photo: Jordan Manley

« Ils sont certainement en lien avec un nouveau phénomène jusqu’à présent inexpliqué, ce qui est toujours emballant », dit Ingrid Stairs, Boursière principale de l’ICRA.

Kaspi n’a pas participé à la proposition originale de CHIME, mais dès qu’elle a entendu parler de la conception singulière du télescope, elle s’est demandé s’il ne pourrait pas être utile aux recherches sur les sursauts radio rapides. Elle s’est rendu compte qu’il n’y aurait aucune modification à apporter au télescope; tout ce qu’il fallait c’était de l’électronique supplémentaire.

« J’ai compris que CHIME pourrait se révéler un outil extrêmement utile pour résoudre ce tout nouveau mystère », dit Kaspi. « Vous pouvez exploiter le signal et l’utiliser à une tout autre fin, même quand les autres travaillent à leurs objectifs, en même temps. Et il ne faudrait qu’un peu plus d’argent. » L’équipe du télescope a récemment soumis une proposition de financement pour l’expansion de CHIME – non pas en dimension, mais sur le plan de l’électronique – relativement au traitement des données. Si son projet va de l’avant, CHIME pourrait être un « un télescope de classe mondiale pour l’étude des sursauts radio rapides ».

Un des problèmes dans la chasse aux sursauts radio rapides réside dans le fait que les télescopes en jeu ont un champ de vision très étroit; ils peuvent examiner seulement une petite partie du ciel à la fois. Conséquemment, il n’est pas surprenant que seule une poignée de sursauts radio rapides aient été détectés jusqu’à présent. Mais un calcul simple à partir de ces quelques observations suggère que l’on pourrait observer quelque 10 000 sursauts radio rapides chaque jour si nous pouvions surveiller le ciel dans son intégralité. « Nous croyons qu’il s’agit en fait d’un phénomène incroyablement courant. Ils sont tout simplement difficiles à détecter », dit-elle. « Voilà où CHIME peut nous aider, car il voit une gigantesque portion du ciel en tout temps. »

Kaspi souligne que l’antenne gigantesque d’Arecibo ne peut observer qu’une toute petite région circulaire du ciel, un centième de la superficie de la pleine lune. CHIME, par comparaison, pourra couvrir environ 300 degrés carrés du ciel en tout temps. Il pourrait au bout du compte détecter environ 300 sursauts radio rapides par jour, dit-elle. « Grâce à CHIME, on pourrait vraiment régler ce problème. On pourrait commencer à détecter des centaines, voire des milliers de sursauts radio rapides chaque année. »

Tout comme pour l’énergie sombre, presque tout ce qui relève des sursauts radio rapides tient du mystère. Quelle est leur distribution céleste? Y a-t-il un lien avec les galaxies ou d’autres structures observables par un télescope optique?

« C’est vraiment amusant de pouvoir s’attaquer à un tout nouveau problème », dit Kaspi. « Pleins de groupes partout sur la planète tentent leur chance, mais CHIME pourrait être un chef de file mondial en la matière. »

Technologie des jeux vidéo

La conception de CHIME est terriblement simple, et pourtant, même si les gens en ont parlé au fil des ans, personne ne s’était encore lancé dans la construction d’un tel télescope. « Depuis peu, il est possible de construire à peu de frais un très bon amplificateur. Tout d’un coup, le récepteur est à petit prix, et la grosse dépense c’est le réflecteur mobile », dit Halpern. Comme mentionne Vanderlinde, « On coupe l’herbe sous le pied de tout le monde, à une petite fraction du prix ». En effet, le coût total de CHIME monte à 11,5 millions de dollars. C’est très peu comparativement à la plupart des autres grands projets en physique et en astronomie. Par exemple, le télescope géant européen qui devrait s’achever en 2024 coûtera plus d’un milliard d’euros.

Il y a une raison pour laquelle l’électronique du télescope est peu coûteuse. Elle a recours au traitement de signaux à grande échelle et à la manipulation de grands volumes de données, les mêmes processus qui se trouvent au cœur des industries en plein essor du téléphone cellulaire et des jeux vidéo. « CHIME exploite ces deux technologies d’une importance commerciale capitale et semble dire “Génial, on peut fabriquer un télescope fantastique comme ça!” », dit Kaspi. « Il s’agit d’une situation où le Canada réalise des activités scientifiques très intéressantes, mais où la science a aussi des répercussions économiques et des applications extraordinaires. »

A telescope from the 1960s made with wires strung from poles. Photo: Jordan Manley
Un télescope des années 1960 fait de câbles tendus à des poteaux. (Photo: Jordan Manley)

Une partie de l’électronique, comme les cartes vidéo utilisées dans des systèmes de jeux haut de gamme, est standard, mais le télescope requiert aussi des éléments de conception et une programmation sur mesure. Au moment de la mise en service, il sera doté du plus grand corrélateur radio au monde qui pourra traiter une bande passante radio équivalente à tous les signaux cellulaires du monde combinés. « Il ne s’agit pas de pièces de série », dit Dobbs.

Conséquemment, la prochaine fois que vous utiliserez votre téléphone cellulaire ou que vous verrez vos enfants jouer à Grand Theft Auto, pensez au fait que cette même technologie peut aller bien plus loin que le clavardage entre conjoints ou la simulation d’une dispute ou d’un meurtre. Elle peut aussi contribuer à résoudre certains des plus profonds mystères de l’Univers – grâce à un télescope canadien novateur au cœur de la vallée de l’Okanagan.

Printemps 2016

  • Reach
  • Extrême univers et gravité

Regard sur les origines de l’Univers

par Dan Falk
avr. 1 / 15

 Canada Chimes in

L’astronome Keith Vanderlinde a étudié l’Univers dans des lieux assez reculés – le désert d’Atacama au Chili, par exemple, et même le pôle Sud –, mais ses travaux les plus récents, mettant en jeu un télescope exceptionnel de facture canadienne, l’amène à travailler dans des lieux beaucoup plus hospitaliers : la vallée de l’Okanagan, dans le sud de la Colombie-Britannique.


En raison de sa charge d’enseignement à l’Université de Toronto, Vanderlinde se rend en Colombie-Britannique surtout l’été, et cette partie de la province, au sud du lac Okanagan, est « infiniment plus plaisante » que l’Antarctique, dit-il en riant. « La route de Kelowna jusqu’au télescope est absolument magnifique. »

Le télescope en question est connu sous le nom de CHIME (pour Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment ou expérience canadienne de cartographie de l’hydrogène). Il n’est pas aussi polyvalent, ni coûteux que bien d’autres télescopes sur la planète, mais sa portée sera néanmoins sans précédent : il pourrait sous peu jeter de la lumière sur la mystérieuse « énergie sombre » qui détermine l’accélération de l’Univers.

Selon Vanderlinde, ancien Chercheur mondial de l’ICRA, « il s’agit d’un télescope sans égal sur la planète ».

Télescope demi-tube

CHIME prend forme sur le terrain du Dominion Radio Astrophysical Observatory, environ 20 kilomètres au sud de Penticton. Les lieux accueillent déjà plusieurs radiotélescopes de premier ordre, mais qu’à cela ne tienne, CHIME n’a jamais vraiment eu d’équivalent. Pour commencer, il n’a pas de gigantesque antenne parabolique orientable, comme celle dont se sert le personnage de Jodie Foster pour écouter les signaux extraterrestres dans le film Contact. CHIME se compose plutôt de quatre demi-cylindres d’acier, placés en parallèle, qui ressemblent chacun au demi-tube du planchiste. Chaque demi-cylindre fait 100 mètres de long et environ 20 mètres de large. Au cours des deux dernières années, les chercheurs ont travaillé à un demi-modèle du projet; au début 2015, on a commencé les travaux sur la version à échelle réelle.

Sur le plan de la superficie collectrice, CHIME se mesure aux plus grands télescopes orientables, comme celui de Green Bank (Virginie occidentale) qui fait 100 mètres de diamètre. Mais les similarités s’arrêtent là : CHIME n’est aucunement orientable. Il est immobile et ses demi-cylindres visent droit vers le ciel. Le long du centre de chaque demi-tube se trouve une « ligne d’alimentation » qui héberge 512 antennes radio distinctes.

« CHIME ne ressemble à aucun autre radiotélescope – vraiment, il est complètement différent de tout ce qui existe –, car il n’a aucune pièce mobile. », explique Matt Dobbs, Boursier principal de l’ICRA et professeur de physique et de génie informatique à l’Université McGill. « Il est là, immobile, et regarde droit vers le ciel. » Le télescope voit une fauchée nord-sud complète du ciel, de l’horizon nord à l’horizon sud en tout temps. À l’aide d’un équipement électronique sophistiqué et de beaucoup de puissance informatique, les astronomes peuvent retracer quelles ondes radio viennent de quelle direction dans le ciel.

Adam Hincks, a postdoctoral fellow at the University of British Columbia and a researcher on the CHIME project, climbs a ladder on the CHIME prototype. Photo: Jordan Manley
Adam Hincks, stagiaire postdoctoral à l’Université de la Colombie-Britannique et chercheur au projet CHIME, grimpe une échelle posée sur le prototype CHIME. (Photo: Jordan Manley)

« De la sorte, il s’agit essentiellement d’un télescope numérique », dit Dobbs. Avec un radiotélescope standard – et aussi avec un télescope optique ordinaire –, vous devez orienter l’appareil vers l’objet à l’étude. Mais pas dans le cas de CHIME. Il s’agit plutôt de « traiter toute l’information qui vient du ciel et de construire une image en traitant toutes les données simultanément en temps réel. La puissance de CHIME réside dans le fait que vous pouvez regarder dans toutes ces directions en même temps ». Une synchronisation ultra-sensible est l’élément le plus important : si vous savez précisément quand un signal radio atteint chaque antenne, il est possible d’en cerner la source dans le ciel avec une grande précision.

Le télescope lui-même est immobile, mais la Terre bouge et les astronomes vont en tirer profit. Au fil de la rotation de la planète, le regard des demi-cylindres balaie le ciel.

CHIME « peut voir tout le ciel du nord au sud, et ensuite, chaque nuit, quand la Terre termine une rotation complète, il voit aussi le ciel entier d’est en ouest », explique Dobbs. Avec la rotation de la Terre, CHIME crée une image du ciel entier. Dobbs fait une analogie avec la bande verte lumineuse qui se déplace le long d’un numériseur à plat.

Le télescope produira plus que des images en deux dimensions; ses images auront aussi de la profondeur. CHIME est particulièrement sensible au rayonnement associé aux nuages d’hydrogène gazeux qui composent le gros de la structure à grande échelle observée partout dans l’Univers (cela vient expliquer le « H » dans CHIME). Les antennes de CHIME surveillent quelque 2000 radiofréquences (ou canaux) à la fois. En raison de l’expansion continue de l’Univers, les nuages d’hydrogène plus lointains s’éloignent plus rapidement de nous que ceux qui sont plus prêts. Conséquemment, la fréquence des ondes radio émises par les nuages d’hydrogène est en corrélation avec leur distance : les ondes radio de nuages plus lointains étant plus longues que celles des nuages plus proches.

« Grâce à CHIME, on peut voir en 3D », dit Dobbs. Il appelle le résultat un « cube de données ». « On peut en enlever différentes couches, comme on fait avec les pelures d’un oignon, et chaque couche correspond à une période différente de l’expansion de l’Univers. »

An air duct keeps the electronics cool. Photo: Jordan Manley
Un conduit d’air protège l’électronique de la surchauffe. (Photo: Jordan Manley)

CHIME est une initiative canadienne à laquelle participe de nombreux membres du programme Cosmologie et gravité de l’ICRA. À sa tête on retrouve des chercheurs de l’Université de la Colombie-Britannique, de l’Université McGill et de l’Université de Toronto, ainsi que du Dominion Radio Astrophysical Observatory (DRAO). Mark Halpern (Université de la Colombie-Britannique), Boursier principal de l’ICRA, est le chercheur principal quant au financement des infrastructures. Aux côtés de Vanderlinde et Dobbs, on compte d’autres chercheurs de l’ICRA : le Boursier principal Gary Hinshaw de l’Université de la Colombie-Britannique, et les Boursiers principaux J. Richard Bond et Ue-Li Pen de l’Université de Toronto. Ce sont les travaux de Pen qui ont démontré pour la première fois le potentiel de la technique de cartographie de l’hydrogène. La boursière de la Fondation R. Howard Webster, Victoria Kaspi (Université McGill), est la chercheuse principale responsable d’une proposition de développement de CHIME pour étudier des signaux radio transitoires. La Boursière principale Ingrid Stairs et le Boursier associé Scott Ransom travaillent aussi à ce développement.

La gaffe d'Einstein

Pour comprendre le problème auquel travaillent les chercheurs, il faut commencer par le Big Bang. Cette explosion spatio-temporelle, il y a quelque 13,8 milliards d’années, a propulsé toute matière loin de toute autre matière. Au début, le cosmos était presque homogène, mais au fil de l’éternité, la gravité a commencé à installer un ordre dans le chaos. Sous l’attraction de la gravité, et malgré la poussée extérieure initiale du Big Bang, la matière a attiré la matière; des nuages de gaz et de poussières ont donné naissance aux premières étoiles et ces étoiles se sont réunies pour former les galaxies primordiales. Voilà du moins quel était le portrait standard jusqu’à la fin des années 1990, quand les astronomes ont découvert que l’Univers est non seulement en expansion, mais que cette expansion s’accélère. Quelle est la cause de cette accélération? Tout le monde l’ignore. Pour le moment, les physiciens supposent qu’il existe une substance qui s’oppose à la gravité et qui entraîne l’expansion de la matière. Ils appellent cette substance l’« énergie sombre ».

Mais il y a plus : l’énergie sombre, semble-t-il, n’a pas joué un rôle important dans l’histoire de l’Univers. Nous le savons, car notre portrait le plus clair du très jeune Univers – le fonds diffus cosmologique – ne porte aucun signe des effets de l’énergie sombre. Quand l’Univers était très jeune, il n’y avait « aucune quantité appréciable d’énergie sombre », dit Dobbs. Toutefois, aujourd’hui, « il y en a des tonnes et cela accélère l’expansion de l’Univers ». En faisant une extrapolation entre ces deux points, explique Dobbs, quand l’Univers avait entre le tiers et la moitié de son âge actuel, l’énergie sombre « a dû activer l’expansion et en est devenu le maître d’œuvre ».

Jusqu’à présent, nous n’avons aucun moyen de sonder cette période transitoire, car nous ne disposons tout simplement pas de données sur l’âge intermédiaire de l’Univers. En revanche, les astronomes ont étudié le fonds diffus cosmologique, l’« écho » du Big Bang, en détail. Ce rayonnement était, tel que noté, presque homogène, mais n’était pas, en fait, parfaitement lisse. Nos meilleures cartes du fonds diffus cosmologique montrent plutôt un motif composé de petites taches d’environ un degré de largeur, appelées « oscillations acoustiques baryoniques » : essentiellement, des régions de densité légèrement supérieure ou inférieure, comparativement à la moyenne. Au fil de milliards d’années, les « points chauds » de densité supérieure ont évolué pour constituer les amas galactiques qui composent les structures à large échelle que nous observons dans l’Univers aujourd’hui. Mais comment cela s’est-il produit?

« Nous sommes à la recherche d’une poussée de croissance qui a commencé environ à mi-parcours de l’âge actuel de l’Univers, moment où l’énergie sombre a pris le dessus », dit Dobbs.

The anechoic chamber at the Dominion Radio Astrophysical Observatory is completely shielded from outside radio waves. It’s used to test equipment for radio wave leakage before it is installed on or near a radio telescope. Photo: Jordan Manley
La chambre anéchogène du Dominion Radio Astrophysical Observatory est complètement isolée des ondes radio extérieures. Avant d’installer de l’équipement sur le télescope ou à proximité, on vérifie qu’il ne laisse pas fuir d’ondes radio. (Photo: Jordan Manley)

Comme tout ce qui concerne l’énergie sombre est mystérieux, le fait de mieux comprendre l’évolution de son rôle au fil du temps cosmologique ne peut qu’être utile pour arriver à la circonscrire. Une des possibilités est que l’énergie sombre corresponde à la substance qu’a imaginée Albert Einstein il y a cent ans quand il a introduit un facteur arbitraire à sa théorie de la gravité (connue sous le nom de relativité générale). Il croyait que ce terme mathématique supplémentaire était nécessaire pour maintenir la stabilité de l’Univers. Il l’a appelé la « constante cosmologique ». (Plus tard, quand Edwin Hubble a découvert que l’Univers était en expansion, Einstein a dit que ce facteur arbitraire était sa « plus grande gaffe ».)

« Peut-être que l’énergie sombre n’est qu’un simple tour mathématique, cette constante cosmologique qu’Einstein a introduite dans ses équations », dit Dobbs. « Mais cela n’aurait aucun intérêt. » Selon lui, une possibilité plus emballante est que quelque chose cloche dans notre compréhension de la gravité, « que les équations qui décrivent l’interaction gravitationnelle de la matière aux échelles les plus grandes ne sont pas tout à fait justes, que la relativité générale d’Einstein ne présente pas tout le portrait ». Les scientifiques croient déjà que la relativité générale ne peut être la théorie finale de la gravité, car elle est incompatible avec la mécanique quantique. Malheureusement, on a réalisé peu de progrès pour rapprocher ces deux cadres; la « gravité quantique » demeure insaisissable.

« Peut-être découvrirons-nous que l’énergie sombre est plus complexe que la simple constante cosmologique », dit Dobbs. « Peut-être révèlera-t-elle un indice sur la façon de réécrire les équations de la gravité pour y inclure éventuellement la mécanique quantique. »

Sursauts radio mystérieux

CHIME est conçu spécifiquement pour aborder le problème de l’énergie sombre, mais il pourrait éclaircir un autre problème astrophysique très différent. Depuis environ huit ans, les astronomes tentent de comprendre la nature de sursauts rapides d’ondes radio provenant de directions aléatoires dans le ciel, apparemment de distances cosmologiques. Ils ne durent que quelques millisecondes et disparaissent aussi rapidement qu’ils sont apparus. Et à notre connaissance, ils ne se répètent pas : chaque sursaut ne s’est produit qu’une fois. Les astronomes les ont surnommés « sursauts radio rapides ». Les six premiers ont été détectés par le radiotélescope Parkes en Australie, au début 2007; plus tard, on en a détecté un autre à l’aide de l’observatoire d’Arecibo à Porto Rico.

« On ignore complètement l’origine de ces sursauts radio rapides », dit Victoria Kaspi de l’Université McGill. Kaspi a réalisé beaucoup de recherches sur des phénomènes apparemment similaires, comme les pulsars et les sursauts gamma; néanmoins, les sursauts radio rapides demeurent un mystère.

The 26-metre steerable John A. Galt telescope. Photo: Jordan Manley
Le télescope orientable John A. Galt de 26 mètres. Photo: Jordan Manley

« Ils sont certainement en lien avec un nouveau phénomène jusqu’à présent inexpliqué, ce qui est toujours emballant », dit Ingrid Stairs, Boursière principale de l’ICRA.

Kaspi n’a pas participé à la proposition originale de CHIME, mais dès qu’elle a entendu parler de la conception singulière du télescope, elle s’est demandé s’il ne pourrait pas être utile aux recherches sur les sursauts radio rapides. Elle s’est rendu compte qu’il n’y aurait aucune modification à apporter au télescope; tout ce qu’il fallait c’était de l’électronique supplémentaire.

« J’ai compris que CHIME pourrait se révéler un outil extrêmement utile pour résoudre ce tout nouveau mystère », dit Kaspi. « Vous pouvez exploiter le signal et l’utiliser à une tout autre fin, même quand les autres travaillent à leurs objectifs, en même temps. Et il ne faudrait qu’un peu plus d’argent. » L’équipe du télescope a récemment soumis une proposition de financement pour l’expansion de CHIME – non pas en dimension, mais sur le plan de l’électronique – relativement au traitement des données. Si son projet va de l’avant, CHIME pourrait être un « un télescope de classe mondiale pour l’étude des sursauts radio rapides ».

Un des problèmes dans la chasse aux sursauts radio rapides réside dans le fait que les télescopes en jeu ont un champ de vision très étroit; ils peuvent examiner seulement une petite partie du ciel à la fois. Conséquemment, il n’est pas surprenant que seule une poignée de sursauts radio rapides aient été détectés jusqu’à présent. Mais un calcul simple à partir de ces quelques observations suggère que l’on pourrait observer quelque 10 000 sursauts radio rapides chaque jour si nous pouvions surveiller le ciel dans son intégralité. « Nous croyons qu’il s’agit en fait d’un phénomène incroyablement courant. Ils sont tout simplement difficiles à détecter », dit-elle. « Voilà où CHIME peut nous aider, car il voit une gigantesque portion du ciel en tout temps. »

Kaspi souligne que l’antenne gigantesque d’Arecibo ne peut observer qu’une toute petite région circulaire du ciel, un centième de la superficie de la pleine lune. CHIME, par comparaison, pourra couvrir environ 300 degrés carrés du ciel en tout temps. Il pourrait au bout du compte détecter environ 300 sursauts radio rapides par jour, dit-elle. « Grâce à CHIME, on pourrait vraiment régler ce problème. On pourrait commencer à détecter des centaines, voire des milliers de sursauts radio rapides chaque année. »

Tout comme pour l’énergie sombre, presque tout ce qui relève des sursauts radio rapides tient du mystère. Quelle est leur distribution céleste? Y a-t-il un lien avec les galaxies ou d’autres structures observables par un télescope optique?

« C’est vraiment amusant de pouvoir s’attaquer à un tout nouveau problème », dit Kaspi. « Pleins de groupes partout sur la planète tentent leur chance, mais CHIME pourrait être un chef de file mondial en la matière. »

Technologie des jeux vidéo

La conception de CHIME est terriblement simple, et pourtant, même si les gens en ont parlé au fil des ans, personne ne s’était encore lancé dans la construction d’un tel télescope. « Depuis peu, il est possible de construire à peu de frais un très bon amplificateur. Tout d’un coup, le récepteur est à petit prix, et la grosse dépense c’est le réflecteur mobile », dit Halpern. Comme mentionne Vanderlinde, « On coupe l’herbe sous le pied de tout le monde, à une petite fraction du prix ». En effet, le coût total de CHIME monte à 11,5 millions de dollars. C’est très peu comparativement à la plupart des autres grands projets en physique et en astronomie. Par exemple, le télescope géant européen qui devrait s’achever en 2024 coûtera plus d’un milliard d’euros.

Il y a une raison pour laquelle l’électronique du télescope est peu coûteuse. Elle a recours au traitement de signaux à grande échelle et à la manipulation de grands volumes de données, les mêmes processus qui se trouvent au cœur des industries en plein essor du téléphone cellulaire et des jeux vidéo. « CHIME exploite ces deux technologies d’une importance commerciale capitale et semble dire “Génial, on peut fabriquer un télescope fantastique comme ça!” », dit Kaspi. « Il s’agit d’une situation où le Canada réalise des activités scientifiques très intéressantes, mais où la science a aussi des répercussions économiques et des applications extraordinaires. »

A telescope from the 1960s made with wires strung from poles. Photo: Jordan Manley
Un télescope des années 1960 fait de câbles tendus à des poteaux. (Photo: Jordan Manley)

Une partie de l’électronique, comme les cartes vidéo utilisées dans des systèmes de jeux haut de gamme, est standard, mais le télescope requiert aussi des éléments de conception et une programmation sur mesure. Au moment de la mise en service, il sera doté du plus grand corrélateur radio au monde qui pourra traiter une bande passante radio équivalente à tous les signaux cellulaires du monde combinés. « Il ne s’agit pas de pièces de série », dit Dobbs.

Conséquemment, la prochaine fois que vous utiliserez votre téléphone cellulaire ou que vous verrez vos enfants jouer à Grand Theft Auto, pensez au fait que cette même technologie peut aller bien plus loin que le clavardage entre conjoints ou la simulation d’une dispute ou d’un meurtre. Elle peut aussi contribuer à résoudre certains des plus profonds mystères de l’Univers – grâce à un télescope canadien novateur au cœur de la vallée de l’Okanagan.

Printemps 2015

  • Reach
  • Extrême univers et gravité

Regard sur les origines de l’Univers

par Dan Falk
avr. 1 / 15

 Canada Chimes in

L’astronome Keith Vanderlinde a étudié l’Univers dans des lieux assez reculés – le désert d’Atacama au Chili, par exemple, et même le pôle Sud –, mais ses travaux les plus récents, mettant en jeu un télescope exceptionnel de facture canadienne, l’amène à travailler dans des lieux beaucoup plus hospitaliers : la vallée de l’Okanagan, dans le sud de la Colombie-Britannique.


En raison de sa charge d’enseignement à l’Université de Toronto, Vanderlinde se rend en Colombie-Britannique surtout l’été, et cette partie de la province, au sud du lac Okanagan, est « infiniment plus plaisante » que l’Antarctique, dit-il en riant. « La route de Kelowna jusqu’au télescope est absolument magnifique. »

Le télescope en question est connu sous le nom de CHIME (pour Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment ou expérience canadienne de cartographie de l’hydrogène). Il n’est pas aussi polyvalent, ni coûteux que bien d’autres télescopes sur la planète, mais sa portée sera néanmoins sans précédent : il pourrait sous peu jeter de la lumière sur la mystérieuse « énergie sombre » qui détermine l’accélération de l’Univers.

Selon Vanderlinde, ancien Chercheur mondial de l’ICRA, « il s’agit d’un télescope sans égal sur la planète ».

Télescope demi-tube

CHIME prend forme sur le terrain du Dominion Radio Astrophysical Observatory, environ 20 kilomètres au sud de Penticton. Les lieux accueillent déjà plusieurs radiotélescopes de premier ordre, mais qu’à cela ne tienne, CHIME n’a jamais vraiment eu d’équivalent. Pour commencer, il n’a pas de gigantesque antenne parabolique orientable, comme celle dont se sert le personnage de Jodie Foster pour écouter les signaux extraterrestres dans le film Contact. CHIME se compose plutôt de quatre demi-cylindres d’acier, placés en parallèle, qui ressemblent chacun au demi-tube du planchiste. Chaque demi-cylindre fait 100 mètres de long et environ 20 mètres de large. Au cours des deux dernières années, les chercheurs ont travaillé à un demi-modèle du projet; au début 2015, on a commencé les travaux sur la version à échelle réelle.

Sur le plan de la superficie collectrice, CHIME se mesure aux plus grands télescopes orientables, comme celui de Green Bank (Virginie occidentale) qui fait 100 mètres de diamètre. Mais les similarités s’arrêtent là : CHIME n’est aucunement orientable. Il est immobile et ses demi-cylindres visent droit vers le ciel. Le long du centre de chaque demi-tube se trouve une « ligne d’alimentation » qui héberge 512 antennes radio distinctes.

« CHIME ne ressemble à aucun autre radiotélescope – vraiment, il est complètement différent de tout ce qui existe –, car il n’a aucune pièce mobile. », explique Matt Dobbs, Boursier principal de l’ICRA et professeur de physique et de génie informatique à l’Université McGill. « Il est là, immobile, et regarde droit vers le ciel. » Le télescope voit une fauchée nord-sud complète du ciel, de l’horizon nord à l’horizon sud en tout temps. À l’aide d’un équipement électronique sophistiqué et de beaucoup de puissance informatique, les astronomes peuvent retracer quelles ondes radio viennent de quelle direction dans le ciel.

Adam Hincks, a postdoctoral fellow at the University of British Columbia and a researcher on the CHIME project, climbs a ladder on the CHIME prototype. Photo: Jordan Manley
Adam Hincks, stagiaire postdoctoral à l’Université de la Colombie-Britannique et chercheur au projet CHIME, grimpe une échelle posée sur le prototype CHIME. (Photo: Jordan Manley)

« De la sorte, il s’agit essentiellement d’un télescope numérique », dit Dobbs. Avec un radiotélescope standard – et aussi avec un télescope optique ordinaire –, vous devez orienter l’appareil vers l’objet à l’étude. Mais pas dans le cas de CHIME. Il s’agit plutôt de « traiter toute l’information qui vient du ciel et de construire une image en traitant toutes les données simultanément en temps réel. La puissance de CHIME réside dans le fait que vous pouvez regarder dans toutes ces directions en même temps ». Une synchronisation ultra-sensible est l’élément le plus important : si vous savez précisément quand un signal radio atteint chaque antenne, il est possible d’en cerner la source dans le ciel avec une grande précision.

Le télescope lui-même est immobile, mais la Terre bouge et les astronomes vont en tirer profit. Au fil de la rotation de la planète, le regard des demi-cylindres balaie le ciel.

CHIME « peut voir tout le ciel du nord au sud, et ensuite, chaque nuit, quand la Terre termine une rotation complète, il voit aussi le ciel entier d’est en ouest », explique Dobbs. Avec la rotation de la Terre, CHIME crée une image du ciel entier. Dobbs fait une analogie avec la bande verte lumineuse qui se déplace le long d’un numériseur à plat.

Le télescope produira plus que des images en deux dimensions; ses images auront aussi de la profondeur. CHIME est particulièrement sensible au rayonnement associé aux nuages d’hydrogène gazeux qui composent le gros de la structure à grande échelle observée partout dans l’Univers (cela vient expliquer le « H » dans CHIME). Les antennes de CHIME surveillent quelque 2000 radiofréquences (ou canaux) à la fois. En raison de l’expansion continue de l’Univers, les nuages d’hydrogène plus lointains s’éloignent plus rapidement de nous que ceux qui sont plus prêts. Conséquemment, la fréquence des ondes radio émises par les nuages d’hydrogène est en corrélation avec leur distance : les ondes radio de nuages plus lointains étant plus longues que celles des nuages plus proches.

« Grâce à CHIME, on peut voir en 3D », dit Dobbs. Il appelle le résultat un « cube de données ». « On peut en enlever différentes couches, comme on fait avec les pelures d’un oignon, et chaque couche correspond à une période différente de l’expansion de l’Univers. »

An air duct keeps the electronics cool. Photo: Jordan Manley
Un conduit d’air protège l’électronique de la surchauffe. (Photo: Jordan Manley)

CHIME est une initiative canadienne à laquelle participe de nombreux membres du programme Cosmologie et gravité de l’ICRA. À sa tête on retrouve des chercheurs de l’Université de la Colombie-Britannique, de l’Université McGill et de l’Université de Toronto, ainsi que du Dominion Radio Astrophysical Observatory (DRAO). Mark Halpern (Université de la Colombie-Britannique), Boursier principal de l’ICRA, est le chercheur principal quant au financement des infrastructures. Aux côtés de Vanderlinde et Dobbs, on compte d’autres chercheurs de l’ICRA : le Boursier principal Gary Hinshaw de l’Université de la Colombie-Britannique, et les Boursiers principaux J. Richard Bond et Ue-Li Pen de l’Université de Toronto. Ce sont les travaux de Pen qui ont démontré pour la première fois le potentiel de la technique de cartographie de l’hydrogène. La boursière de la Fondation R. Howard Webster, Victoria Kaspi (Université McGill), est la chercheuse principale responsable d’une proposition de développement de CHIME pour étudier des signaux radio transitoires. La Boursière principale Ingrid Stairs et le Boursier associé Scott Ransom travaillent aussi à ce développement.

La gaffe d'Einstein

Pour comprendre le problème auquel travaillent les chercheurs, il faut commencer par le Big Bang. Cette explosion spatio-temporelle, il y a quelque 13,8 milliards d’années, a propulsé toute matière loin de toute autre matière. Au début, le cosmos était presque homogène, mais au fil de l’éternité, la gravité a commencé à installer un ordre dans le chaos. Sous l’attraction de la gravité, et malgré la poussée extérieure initiale du Big Bang, la matière a attiré la matière; des nuages de gaz et de poussières ont donné naissance aux premières étoiles et ces étoiles se sont réunies pour former les galaxies primordiales. Voilà du moins quel était le portrait standard jusqu’à la fin des années 1990, quand les astronomes ont découvert que l’Univers est non seulement en expansion, mais que cette expansion s’accélère. Quelle est la cause de cette accélération? Tout le monde l’ignore. Pour le moment, les physiciens supposent qu’il existe une substance qui s’oppose à la gravité et qui entraîne l’expansion de la matière. Ils appellent cette substance l’« énergie sombre ».

Mais il y a plus : l’énergie sombre, semble-t-il, n’a pas joué un rôle important dans l’histoire de l’Univers. Nous le savons, car notre portrait le plus clair du très jeune Univers – le fonds diffus cosmologique – ne porte aucun signe des effets de l’énergie sombre. Quand l’Univers était très jeune, il n’y avait « aucune quantité appréciable d’énergie sombre », dit Dobbs. Toutefois, aujourd’hui, « il y en a des tonnes et cela accélère l’expansion de l’Univers ». En faisant une extrapolation entre ces deux points, explique Dobbs, quand l’Univers avait entre le tiers et la moitié de son âge actuel, l’énergie sombre « a dû activer l’expansion et en est devenu le maître d’œuvre ».

Jusqu’à présent, nous n’avons aucun moyen de sonder cette période transitoire, car nous ne disposons tout simplement pas de données sur l’âge intermédiaire de l’Univers. En revanche, les astronomes ont étudié le fonds diffus cosmologique, l’« écho » du Big Bang, en détail. Ce rayonnement était, tel que noté, presque homogène, mais n’était pas, en fait, parfaitement lisse. Nos meilleures cartes du fonds diffus cosmologique montrent plutôt un motif composé de petites taches d’environ un degré de largeur, appelées « oscillations acoustiques baryoniques » : essentiellement, des régions de densité légèrement supérieure ou inférieure, comparativement à la moyenne. Au fil de milliards d’années, les « points chauds » de densité supérieure ont évolué pour constituer les amas galactiques qui composent les structures à large échelle que nous observons dans l’Univers aujourd’hui. Mais comment cela s’est-il produit?

« Nous sommes à la recherche d’une poussée de croissance qui a commencé environ à mi-parcours de l’âge actuel de l’Univers, moment où l’énergie sombre a pris le dessus », dit Dobbs.

The anechoic chamber at the Dominion Radio Astrophysical Observatory is completely shielded from outside radio waves. It’s used to test equipment for radio wave leakage before it is installed on or near a radio telescope. Photo: Jordan Manley
La chambre anéchogène du Dominion Radio Astrophysical Observatory est complètement isolée des ondes radio extérieures. Avant d’installer de l’équipement sur le télescope ou à proximité, on vérifie qu’il ne laisse pas fuir d’ondes radio. (Photo: Jordan Manley)

Comme tout ce qui concerne l’énergie sombre est mystérieux, le fait de mieux comprendre l’évolution de son rôle au fil du temps cosmologique ne peut qu’être utile pour arriver à la circonscrire. Une des possibilités est que l’énergie sombre corresponde à la substance qu’a imaginée Albert Einstein il y a cent ans quand il a introduit un facteur arbitraire à sa théorie de la gravité (connue sous le nom de relativité générale). Il croyait que ce terme mathématique supplémentaire était nécessaire pour maintenir la stabilité de l’Univers. Il l’a appelé la « constante cosmologique ». (Plus tard, quand Edwin Hubble a découvert que l’Univers était en expansion, Einstein a dit que ce facteur arbitraire était sa « plus grande gaffe ».)

« Peut-être que l’énergie sombre n’est qu’un simple tour mathématique, cette constante cosmologique qu’Einstein a introduite dans ses équations », dit Dobbs. « Mais cela n’aurait aucun intérêt. » Selon lui, une possibilité plus emballante est que quelque chose cloche dans notre compréhension de la gravité, « que les équations qui décrivent l’interaction gravitationnelle de la matière aux échelles les plus grandes ne sont pas tout à fait justes, que la relativité générale d’Einstein ne présente pas tout le portrait ». Les scientifiques croient déjà que la relativité générale ne peut être la théorie finale de la gravité, car elle est incompatible avec la mécanique quantique. Malheureusement, on a réalisé peu de progrès pour rapprocher ces deux cadres; la « gravité quantique » demeure insaisissable.

« Peut-être découvrirons-nous que l’énergie sombre est plus complexe que la simple constante cosmologique », dit Dobbs. « Peut-être révèlera-t-elle un indice sur la façon de réécrire les équations de la gravité pour y inclure éventuellement la mécanique quantique. »

Sursauts radio mystérieux

CHIME est conçu spécifiquement pour aborder le problème de l’énergie sombre, mais il pourrait éclaircir un autre problème astrophysique très différent. Depuis environ huit ans, les astronomes tentent de comprendre la nature de sursauts rapides d’ondes radio provenant de directions aléatoires dans le ciel, apparemment de distances cosmologiques. Ils ne durent que quelques millisecondes et disparaissent aussi rapidement qu’ils sont apparus. Et à notre connaissance, ils ne se répètent pas : chaque sursaut ne s’est produit qu’une fois. Les astronomes les ont surnommés « sursauts radio rapides ». Les six premiers ont été détectés par le radiotélescope Parkes en Australie, au début 2007; plus tard, on en a détecté un autre à l’aide de l’observatoire d’Arecibo à Porto Rico.

« On ignore complètement l’origine de ces sursauts radio rapides », dit Victoria Kaspi de l’Université McGill. Kaspi a réalisé beaucoup de recherches sur des phénomènes apparemment similaires, comme les pulsars et les sursauts gamma; néanmoins, les sursauts radio rapides demeurent un mystère.

The 26-metre steerable John A. Galt telescope. Photo: Jordan Manley
Le télescope orientable John A. Galt de 26 mètres. Photo: Jordan Manley

« Ils sont certainement en lien avec un nouveau phénomène jusqu’à présent inexpliqué, ce qui est toujours emballant », dit Ingrid Stairs, Boursière principale de l’ICRA.

Kaspi n’a pas participé à la proposition originale de CHIME, mais dès qu’elle a entendu parler de la conception singulière du télescope, elle s’est demandé s’il ne pourrait pas être utile aux recherches sur les sursauts radio rapides. Elle s’est rendu compte qu’il n’y aurait aucune modification à apporter au télescope; tout ce qu’il fallait c’était de l’électronique supplémentaire.

« J’ai compris que CHIME pourrait se révéler un outil extrêmement utile pour résoudre ce tout nouveau mystère », dit Kaspi. « Vous pouvez exploiter le signal et l’utiliser à une tout autre fin, même quand les autres travaillent à leurs objectifs, en même temps. Et il ne faudrait qu’un peu plus d’argent. » L’équipe du télescope a récemment soumis une proposition de financement pour l’expansion de CHIME – non pas en dimension, mais sur le plan de l’électronique – relativement au traitement des données. Si son projet va de l’avant, CHIME pourrait être un « un télescope de classe mondiale pour l’étude des sursauts radio rapides ».

Un des problèmes dans la chasse aux sursauts radio rapides réside dans le fait que les télescopes en jeu ont un champ de vision très étroit; ils peuvent examiner seulement une petite partie du ciel à la fois. Conséquemment, il n’est pas surprenant que seule une poignée de sursauts radio rapides aient été détectés jusqu’à présent. Mais un calcul simple à partir de ces quelques observations suggère que l’on pourrait observer quelque 10 000 sursauts radio rapides chaque jour si nous pouvions surveiller le ciel dans son intégralité. « Nous croyons qu’il s’agit en fait d’un phénomène incroyablement courant. Ils sont tout simplement difficiles à détecter », dit-elle. « Voilà où CHIME peut nous aider, car il voit une gigantesque portion du ciel en tout temps. »

Kaspi souligne que l’antenne gigantesque d’Arecibo ne peut observer qu’une toute petite région circulaire du ciel, un centième de la superficie de la pleine lune. CHIME, par comparaison, pourra couvrir environ 300 degrés carrés du ciel en tout temps. Il pourrait au bout du compte détecter environ 300 sursauts radio rapides par jour, dit-elle. « Grâce à CHIME, on pourrait vraiment régler ce problème. On pourrait commencer à détecter des centaines, voire des milliers de sursauts radio rapides chaque année. »

Tout comme pour l’énergie sombre, presque tout ce qui relève des sursauts radio rapides tient du mystère. Quelle est leur distribution céleste? Y a-t-il un lien avec les galaxies ou d’autres structures observables par un télescope optique?

« C’est vraiment amusant de pouvoir s’attaquer à un tout nouveau problème », dit Kaspi. « Pleins de groupes partout sur la planète tentent leur chance, mais CHIME pourrait être un chef de file mondial en la matière. »

Technologie des jeux vidéo

La conception de CHIME est terriblement simple, et pourtant, même si les gens en ont parlé au fil des ans, personne ne s’était encore lancé dans la construction d’un tel télescope. « Depuis peu, il est possible de construire à peu de frais un très bon amplificateur. Tout d’un coup, le récepteur est à petit prix, et la grosse dépense c’est le réflecteur mobile », dit Halpern. Comme mentionne Vanderlinde, « On coupe l’herbe sous le pied de tout le monde, à une petite fraction du prix ». En effet, le coût total de CHIME monte à 11,5 millions de dollars. C’est très peu comparativement à la plupart des autres grands projets en physique et en astronomie. Par exemple, le télescope géant européen qui devrait s’achever en 2024 coûtera plus d’un milliard d’euros.

Il y a une raison pour laquelle l’électronique du télescope est peu coûteuse. Elle a recours au traitement de signaux à grande échelle et à la manipulation de grands volumes de données, les mêmes processus qui se trouvent au cœur des industries en plein essor du téléphone cellulaire et des jeux vidéo. « CHIME exploite ces deux technologies d’une importance commerciale capitale et semble dire “Génial, on peut fabriquer un télescope fantastique comme ça!” », dit Kaspi. « Il s’agit d’une situation où le Canada réalise des activités scientifiques très intéressantes, mais où la science a aussi des répercussions économiques et des applications extraordinaires. »

A telescope from the 1960s made with wires strung from poles. Photo: Jordan Manley
Un télescope des années 1960 fait de câbles tendus à des poteaux. (Photo: Jordan Manley)

Une partie de l’électronique, comme les cartes vidéo utilisées dans des systèmes de jeux haut de gamme, est standard, mais le télescope requiert aussi des éléments de conception et une programmation sur mesure. Au moment de la mise en service, il sera doté du plus grand corrélateur radio au monde qui pourra traiter une bande passante radio équivalente à tous les signaux cellulaires du monde combinés. « Il ne s’agit pas de pièces de série », dit Dobbs.

Conséquemment, la prochaine fois que vous utiliserez votre téléphone cellulaire ou que vous verrez vos enfants jouer à Grand Theft Auto, pensez au fait que cette même technologie peut aller bien plus loin que le clavardage entre conjoints ou la simulation d’une dispute ou d’un meurtre. Elle peut aussi contribuer à résoudre certains des plus profonds mystères de l’Univers – grâce à un télescope canadien novateur au cœur de la vallée de l’Okanagan.