Sondant le cosmos depuis sa position isolée en Antarctique, un projet collaboratif vise à révéler des informations sur les débuts de l’univers.
En été, au pôle Sud, qui dure de novembre à février, la température moyenne est mordante de moins 18 degrés F. Le soleil ne se couche pas pendant cette période, ce qui rend le sommeil difficile. L’environnement est rude et sec. Et la connexion Internet à la station Amundsen-Scott South Pole, lorsque vous pouvez y accéder, est extrêmement lente.
D’un autre côté, les distractions du travail sont rares et le paysage est magnifique. Les repas de la cuisine sur place sont excellents. La meilleure partie? Il y a une vue inégalée sur l’univers primitif.
Voir la plus ancienne lumière de l’univers
Cette vue, qui provient du télescope du pôle Sud (SPT) de la station de recherche, n’est pas ce que beaucoup d’entre nous imagineraient lorsque nous regardons le ciel. Plutôt que des étoiles et des planètes, les images du SPT ressemblent plus à une peinture de Jackson Pollock. Ils capturent des données liées à l’origine de l’univers et à son évolution sur des milliards d’années.
Depuis que le SPT a commencé à fonctionner en 2007, il a aidé les chercheurs à découvrir plus de 1 000 amas de galaxies géantes (dont certains vraiment exceptionnels) et a changé notre compréhension de la période de formation des premières étoiles, entre autres révélations. Plus de 20 universités et installations de recherche du Département américain de l’énergie (DOE), dont le Laboratoire national d’Argonne, collaborent à cet effort.
Le télescope de 33 pieds utilise des détecteurs développés et construits à Argonne pour étudier le fond diffus cosmologique (CMB). Le CMB est constitué de lumière produite lorsque l’univers avait environ 380 000 ans. À l’époque, le bébé univers était un plasma intensément chaud, et la lueur qu’il produisait voyageait dans l’espace depuis environ 14 milliards d’années.
« Regarder le fond cosmique des micro-ondes, peindre notre univers primitif et le relier aux observations que nous voyons aujourd’hui, constitue l’un des principaux piliers fondamentaux de notre modèle cosmologique », a déclaré Lindsey Bleem, physicienne à Argonne qui collecte et analyse les données du SPT.
L’Antarctique est l’un des meilleurs endroits au monde pour détecter ce faible signal car il s’agit essentiellement d’un désert gelé et très sec. L’eau dans l’air peut créer du « bruit » dans une vue du ciel avec un télescope, a expliqué Bleem, rendant l’image moins claire. L’environnement du SPT est aussi exempt d’interférences que possible sur Terre.
Pour la plupart, les scientifiques peuvent collecter et travailler avec les données du SPT depuis Argonne dans l’Illinois ou depuis n’importe quel autre endroit configuré pour accéder aux données à distance. Mais occasionnellement, la maintenance et les mises à niveau telles qu’une caméra de troisième génération installée en 2017 nécessitent de se rendre dans cette installation au milieu d’un désert gelé.
Qu’il s’agisse de faire face au froid qui claque des dents, d’attendre que les fournitures arrivent ou de s’assurer que l’équipement est entretenu et résistant aux intempéries, l’emplacement éloigné peut être intimidant. Le manque d’humidité à lui seul est « quelque chose qui est un peu difficile et peut également interférer avec la façon dont les choses se passent au jour le jour », a déclaré Clarence Chang, un physicien d’Argonne qui développe des détecteurs supraconducteurs pour le SPT.
Un avantage : pendant la saison estivale du télescope, les cuisiniers du personnel fournissent des repas aux chercheurs invités, et « la nourriture est absolument fantastique », a déclaré Bleem.
Détecteurs supraconducteurs super sensibles
La mise à niveau de 2017 de la caméra du SPT l’a fait passer de 1 600 à 16 000 détecteurs. Regroupés, les détecteurs ressemblent à un nid d’abeille mesurant environ 17 pouces de diamètre. Les détecteurs sont maintenus bien plus froids que même la nuit antarctique la plus froide, juste au-dessus du zéro absolu, ou moins 459 F. La température, combinée à la sensibilité de leurs matériaux supraconducteurs, les aide à enregistrer la très faible lumière du CMB.
Les chercheurs ont profité du Center for Nanoscale Materials d’Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science, pour fabriquer les détecteurs. Les équipements de l’installation permettent de contrôler les matériaux supraconducteurs et de les traiter de manière cohérente.
L’un des objectifs de recherche des observations du CMB est d’explorer une théorie connue sous le nom d’inflation cosmique, l’idée que l’univers primitif a subi une expansion massive et incroyablement rapide. Cette théorie est associée à des prédictions de modèles particuliers dans le CMB.
« Ces prédictions sont extrêmement difficiles à mesurer. Les signaux sont très faibles, ce qui nécessite la construction d’instruments incroyablement sensibles », a déclaré Chang.
Le SPT a commencé une enquête de six ans avec la nouvelle caméra en 2018. Le réseau de détecteurs amélioré, combiné à des années d’observation, revient un peu à régler une longue exposition sur la dernière et la plus grande caméra de smartphone pour capturer une image détaillée la nuit.
« Cela avance, la collecte des données pour nous », a déclaré Amy Bender, une physicienne d’Argonne qui a aidé à installer la caméra de troisième génération. « Nous observons le même morceau de ciel tous les jours, toute la journée. Plus nous l’observons, mieux nous pouvons détecter des signaux plus faibles. »
Lorsque l’exécution du SPT se terminera en 2024, les scientifiques seront occupés non seulement à analyser les données résultantes, mais aussi à travailler sur d’autres mises à niveau du SPT.
La capacité d’Argonne à produire de manière fiable des détecteurs de télescope super-sensibles sera également essentielle à une nouvelle expérience ambitieuse : CMB-S4. Dans cette expérience, une collaboration d’Argonne et de dizaines d’institutions dans le monde, 21 télescopes au pôle Sud et dans le désert chilien d’Atacama surveilleront le ciel pendant sept ans à partir de la fin de la décennie. Le nombre de détecteurs déployés passera à 500 000, et certains d’entre eux seront fabriqués à Argonne.
Calculer les nombres extragalactiques
Les simulations qui s’exécutent sur des ordinateurs hautes performances à l’Argonne Leadership Computing Facility, également une installation utilisateur du DOE Office of Science, sont essentielles pour décoder les observations du SPT. Les scientifiques utilisent cette puissance de calcul pour corréler les théories sur la façon dont la matière et les forces interagissent dans l’univers. Un amas de galaxies dans la ligne de visée du télescope, par exemple, déformera la lumière de fond des autres galaxies et du CMB. Cet effet doit être mesuré et corrélé aux prédictions théoriques.
Pour expliquer comment les simulations facilitent les observations, Bleem a donné un exemple : Disons que vous aviez une image de la Tour Eiffel sans données sur la hauteur de la structure. Vous pouvez utiliser la mesure connue d’un objet proche, comme une personne debout sur le sol, pour déterminer ses dimensions. De même, les ordinateurs aident à combler le fossé entre ce que nous savons et ce que nous cherchons à découvrir en nous donnant à la fois une compréhension de ces processus complexes et en nous permettant d’évaluer dans quelle mesure nos outils d’analyse peuvent reconstruire des modèles de ces phénomènes.
Avec le SPT amélioré et le prochain projet CMB-S4, les scientifiques continuent de générer davantage de données d’observation. Les ressources informatiques d’Argonne suivent le rythme, a noté JD Emberson, informaticien à Argonne.
« Les premiers codes de cosmologie ne faisaient que simuler la gravité », a déclaré Emberson. « Mais alors que nous obtenons des télescopes meilleurs et plus grands qui peuvent collecter plus d’informations dans l’univers, il est important que nous ayons les capacités de simuler plus que la simple gravité. »
Emberson travaille sur le Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code (HACC), le cadre utilisé pour exécuter des simulations cosmologiques pour le SPT et d’autres télescopes. Son travail, qui fait partie du projet ExaSky dirigé par Argonne, prépare HACC pour des ordinateurs exascale comme Aurora, qui seront bien adaptés pour gérer des simulations cosmologiques à grande échelle.
« Alors que les scientifiques construisent des instruments de nouvelle génération, nous voulons être en mesure de pousser l’informatique de nouvelle génération pour correspondre à cela », a déclaré Emberson.
L’informatique et les détecteurs avancés développés à Argonne servent l’exploration du cosmos par le SPT. Mais ils sont également pertinents pour une gamme d’autres technologies ici sur Terre, telles que le dépistage pour les soins de santé et la sécurité.
« Aucune entreprise ne fabrique des équipements comme celui-ci aujourd’hui », a déclaré Bender. « Donc, nous menons le front pour pousser la technologie pour cela. Qui sait quelles portes cela pourrait ouvrir pour d’autres domaines? »