Le radiotélescope CHIME, situé à l’Observatoire fédéral de radio-astrophysique proche de Penticton, en Colombie Britannique, est un nouveau design de radiotélescope sans pièce mobile. Il a été conçu  expressément pour étudier l’Énergie Noire mystérieuse qui remplit l’Univers.
Crédit: Mark Halpern pour la collaboration CHIME.

CHIME

CHIME: L’Expérience canadienne pour mapper l’intensité d’hydrogène

CHIME est un nouveau radiotélescope canadien, conçu pour étudier l’Énergie Noire en mesurant son effet sur la distribution du gaz sur un très grand volume de l’Univers. L’Univers est en expansion, et le taux d’expansion est en train d’accélérer. L’accélération est probablement attribuable à l’énergie noire dont nous ne savons presque rien. En effet, l’énergie noire est un des plus grands mystères de la science moderne.

Un moyen prometteur de comprendre l’énergie noire est de déterminer comment l’Univers s’est élargi et accéléré dans le passé lointain. Nous pouvons le faire en utilisant des formes périodiques acoustiques (ondes sonores) imprimées dans la distribution de gaz d’hydrogène à travers l’Univers. Peu après le Big Bang, il y avait des faibles variations dans la densité de gaz qui remplissait l’espace. Ces fluctuations en densité ont ondulé à travers l’espace sous la forme d’ondes sonores, un processus que nous appelons les « oscillations baryoniques acoustiques » (BAO).

Cependant, ces ondes sont restées figées dans la matière qui les portait lorsque que l’Univers s’est refroidi et est devenu transparent, environ 380 000 années après le Big Bang. Depuis, l’empreinte fossile de ces ondes sonores a laissé l’Univers tacheté d’enveloppes sphériques d’excès de gaz, dont la taille aujourd’hui (13.8 milliards d’années plus tard) est d’environ 450 millions d’années-lumière. Quand nous regardons dans l’espace et dans le temps pour les points précédents dans l’histoire de l’Univers, ces enveloppes ont rétréci ou agrandi suivant l’expansion de l’Univers, et donc servent comme des mesures standards, des « règles standards », qui nous permettent de mesurer l’expansion et accélération de l’Univers lui-même. Le gaz dans ces enveloppes rayonne faiblement à la lumière des ondes radio. Avec le radiotélescope CHIME, nous visons à mesurer la taille et la forme de ces enveloppes reliques à différentes étapes dans le passé lointain de l’Univers. Avec les données recueilli par CHIME, nous pouvons donc déduire la géométrie et l’histoire de l’Univers, permettant de tester les divers modèles de l’énergie noire.

CHIME est situé à l’Observatoire fédéral de radioastrophysique (abrégé DRAO, en anglais « Dominion Radio Astrophysical Observatory »), proche de Penticton, en Colombie Britannique. Le site bénéficie d’une protection spéciale contre les signaux radio terrestres, qui autrement noieraient la faible émission radio provenant du ciel. CHIME est un design entièrement nouveau de radiotélescope. Il ne peut pas être dirigé ni pointé, et n’a aucune pièce mobile. CHIME est composé de quatre panneaux radio incurvés, chacun mesurant 20 mètres de large et 100 mètres de long. Puisque les panneaux sont fixes et orientés vers le haut, quand la Terre tourne, le ciel entier passe au-dessus pour chaque période de 24 heures. CHIME cible la période entre 7 et 11 milliards d’années dans le passé, période quand l’Énergie Noire apparait comme la force dominante dans l’Univers. Les ondes radio provenant de ces époques lointaines sont reflétées sur la surface de maille du réflécteur de CHIME, et sont dirigé vers un foyer où se situe une série d’antennes. Le débit de données de tous ces signaux est supérieur à la totalité des systèmes téléphoniques nord-américains ce qui nécessite un superordinateur fait sur mesure consacré à leur traitement.

En plus de sonder l’énergie noire, CHIME étudiera simultanément un genre très différent de signal radio céleste. CHIME peut détecter les impulsions régulières d’ondes radio provenant des étoiles à neutrons à rotation des « pulsars », qui agissent comme des montres naturelles ultra précises. En chronométrant les signaux de centaines de pulsars chaque jour, CHIME est à la recherche des minuscules étirement et compression de l’espace-temps causés par les ondes gravitationnelles prédites par la théorie de la relativité générale d’Einstein. En plus, CHIME sera bientôt utilisé pour détecter des « sursaut radio rapides » (abrégé FRB, an anglais « fast radio burst »), un mystère cosmique nouvellement découvert ainsi que pour créer une carte détaillée de l’émission radio de notre propre galaxie, la Voie lactée. CHIME a été construit par l’Université de Colombie Britannique, l’Université McGill, l’Université de Toronto, et l’Observatoire fédéral de radio-astrophysique du CNR. Bien que CHIME a été financé séparément du SKA, il joue un rôle pivot en tant que prototype scientifique et technique pour le SKA. Par exemple, les observations des faibles signaux cosmiques que CHIME effectuent, a nécessité le développement de techniques d’avant-garde pour la compréhension et l’élimination du fort rayonnement d’avant-plan de notre galaxie. Ceci sera un défi majeur pour le SKA aussi.

Il y a aussi de nombreux défis techniques que CHIME et le SKA se partagent. Les signaux radio cueillis par CHIME sont combinés dans un superordinateur spécialisé appelé un « corrélateur de signal » qui utilise un assortiment d’électroniques faits sur mesure et de processeurs graphiques commerciaux. Cette approche est un grand pas en avant dans la réduction du prix des radiotélescopes. L’équipe CHIME a aussi développé un moyen très efficace et haute-fidélité de transporter des signaux radio en utilisant des fibres optiques ainsi qu’un nouvel algorithme de compression des données qui est crucial au transfert de l’énorme quantité des données produites par des radiotélescopes tels que CHIME et le SKA.