Certains des télescopes les plus grands et les plus sophistiqués jamais construits sont en construction à l’observatoire Simons dans le nord du Chili. Ils sont conçus pour mesurer le fond cosmique des micro-ondes – le rayonnement électromagnétique laissé par la formation de l’univers – avec une sensibilité sans précédent. Dans une nouvelle étude, des chercheurs détaillent une méthode d’analyse qui pourrait améliorer ces télescopes en évaluant leurs performances avant installation.
« Nous avons développé un moyen d’utiliser la radio-holographie pour caractériser un instrument de télescope cryogénique entièrement intégré avant son déploiement », a déclaré Grace Chesmore, membre de l’équipe de recherche de l’Université de Chicago. « En laboratoire, il est beaucoup plus facile de détecter les problèmes avant qu’ils ne deviennent problématiques et de manipuler les composants à l’intérieur du télescope pour optimiser les performances. »
Bien qu’il soit courant d’attendre après l’installation pour caractériser les performances optiques d’un télescope, il est difficile de faire des ajustements une fois que tout est en place. Cependant, une analyse complète ne peut généralement pas être effectuée avant l’installation car les techniques de laboratoire sont conçues pour l’analyse à température ambiante tandis que les composants du télescope sont maintenus à des températures cryogéniques pour améliorer la sensibilité.
Dans la revue Optique appliquée, des chercheurs dirigés par Jeff McMahon de l’Université de Chicago décrivent comment ils ont appliqué leur nouvelle approche de mesure à l’optique du récepteur du télescope à grande ouverture de l’observatoire Simons, qui comprend des lentilles, des filtres, des déflecteurs et d’autres composants. C’est la première fois que de tels paramètres sont confirmés en laboratoire avant le déploiement d’un nouveau récepteur.
À l’Université de Chicago, une source de micro-ondes balaye l’ouverture du télescope et des détecteurs mesurent la réponse à l’arrière du télescope. Crédit : Grace Chesmore, Université de Chicago
« L’observatoire Simons créera des cartes sans précédent de la rémanence du Big Bang, permettant de comprendre les premiers moments et le fonctionnement interne de notre univers », a déclaré Chesmore, premier auteur de l’article. « L’observatoire contribuera à rendre possibles ces cartes de fond cosmiques ultra-sensibles à micro-ondes. »
Regarder en arrière dans le temps
Les cartes de fond des micro-ondes cosmiques qui seront produites par l’Observatoire Simons fourniront une fenêtre sur notre univers à un moment si précoce de son histoire que de minuscules signaux de gravité quantique pourraient être détectables, explique Chesmore. Cependant, sonder l’espace avec une telle sensibilité nécessite une meilleure compréhension de la façon dont le rayonnement électromagnétique se propage à travers le système optique du télescope et l’élimination d’autant de diffusion que possible.
Dans le nouveau travail, les chercheurs ont utilisé une technique connue sous le nom de radio holographie en champ proche, qui peut être utilisée pour reconstruire la façon dont le rayonnement électromagnétique se déplace à travers un système tel qu’un télescope. Pour ce faire, à des températures cryogéniques, ils ont installé un détecteur capable de cartographier une source cohérente très brillante tout en fonctionnant à la température extrêmement froide de 4 Kelvin. Cela leur a permis de créer des cartes avec un rapport signal/bruit très élevé, qu’ils ont utilisé pour s’assurer que l’optique du récepteur du télescope à grande ouverture fonctionnait comme prévu.
« Tous les objets, y compris les lentilles, rétrécissent et présentent des changements de propriétés optiques lorsqu’ils refroidissent », a expliqué Chesmore. « L’utilisation du détecteur holographique à 4 Kelvin nous a permis de mesurer l’optique dans les formes qu’elle aura lors de l’observation au Chili. »
Du laboratoire aux observations spatiales
Une fois ces mesures terminées, les chercheurs ont développé un logiciel pour prédire comment le télescope fonctionnerait avec des photons provenant de l’espace plutôt qu’avec la source de champ proche utilisée en laboratoire.
« Le logiciel utilise les cartes de champ proche que nous avons mesurées pour déterminer le comportement d’une source de micro-ondes à champ lointain », a déclaré Chesmore. « Ce n’est possible qu’en utilisant la radio-holographie car elle mesure à la fois l’amplitude et la phase des micro-ondes, et il existe une relation connue entre les propriétés dans le champ proche et lointain. »
En utilisant leur nouvelle approche, les chercheurs ont découvert que l’optique du télescope correspondait aux prévisions. Ils ont également pu identifier et atténuer une source de diffusion avant le déploiement du télescope.
Le système optique du télescope à grande ouverture qu’ils ont caractérisé est maintenant en route vers le Chili pour y être installé. L’observatoire Simons comprendra le télescope à grande ouverture ainsi que trois télescopes à petite ouverture, qui seront utilisés ensemble pour des observations précises et détaillées du fond diffus cosmologique. Les chercheurs de l’Université de Chicago continueront de caractériser les composants des télescopes de l’observatoire Simons et diront qu’ils ont hâte d’utiliser ces télescopes pour mieux comprendre notre univers.
Plus d’information:
Grace E. Chesmore et al, Simons Observatory : caractérisation du récepteur du télescope à grande ouverture avec holographie radio, Optique appliquée (2022). DOI : 10.1364/AO.470138