Perché au sommet d’un haut plateau dans le désert d’Atacama au Chili, un observatoire tant attendu commence à prendre forme : la plus grande suite de télescopes au sol consacrés à l’étude de la plus ancienne lumière de l’univers : le rayonnement laissé par le Big Bang.
Les astronomes étudient depuis des décennies ce rayonnement primitif, connu sous le nom de fond diffus cosmologique (CMB), qui baigne l’univers et donne un aperçu de ce à quoi ressemblait le cosmos vieux de 14 milliards d’années à ses débuts, à peine 380 000 ans après. sa naissance violente. C’est à ce moment-là que l’univers est devenu suffisamment froid pour que les électrons et les noyaux atomiques fusionnent en atomes, permettant ainsi à la lumière de circuler librement dans l’espace pour la première fois.
Le groupe de télescopes du Chili, collectivement connu sous le nom d’Observatoire Simons, offre un avantage clé par rapport à d’autres instruments similaires : il comprend une nouvelle génération de détecteurs micro-ondes extrêmement sensibles et un système de lecture sophistiqué, tous deux construits par des scientifiques de l’Institut national de Normes et technologie (NIST).
Les détecteurs conçus par le NIST, appelés bolomètres à capteur de transition, sont des capteurs thermiques constitués de films minces de matériau refroidis à un dixième de degré au-dessus du zéro absolu. Agissant comme des thermomètres miniatures, les bolomètres peuvent discerner d’infimes variations de température dans le CMB sur plus de 40 % du ciel, a noté Johannes Hubmayr, scientifique du NIST.
Ces minuscules points chauds et froids dans le rayonnement, qui correspondent à de légères surdensités et sous-densités dans l’univers primitif, représentent les graines à partir desquelles les galaxies se sont formées. (Les bolomètres enregistrent également des modèles de différentes polarisations dans le CMB – des mouvements dans le champ électrique du rayonnement – qui codent des informations sur l’univers un instant après le Big Bang.)
Pour mesurer la température, les chercheurs appliquent une petite tension aux bolomètres qui maintient les détecteurs refroidis entre deux états : supraconducteur, dans lequel le courant circule librement sans aucune résistance, et non supraconducteur, dans lequel le courant rencontre une résistance. Lorsque les capteurs absorbent l’énergie du rayonnement CMB entrant, leur résistance électrique augmente, ce qui entraîne une diminution de la quantité de courant qui les traverse. La baisse du courant fournit une mesure de la température du CMB en un point particulier du ciel.
Le traitement simultané des signaux provenant de 67 080 bolomètres ultrafroids de l’Observatoire Simons présente cependant un défi. Il est pratiquement impossible de connecter un fil de chacun des détecteurs à un dispositif de lecture de la température ambiante sans chauffer les bolomètres à une température au-delà de leur plage de fonctionnement étroite.
Les chercheurs du NIST, dont John Mates, ont mis au point une méthode permettant de combiner les signaux de milliers de bolomètres sur un seul fil. La technique, qui s’appuie sur des dispositifs appelés SQUID, convertit le changement de courant mesuré par chaque bolomètre en un changement de fréquence d’un minuscule résonateur. En combinant sur un seul fil les changements de fréquence uniques induits par des milliers de bolomètres individuels, l’équipe du NIST a considérablement réduit le nombre de connexions à température ambiante et le potentiel de transfert de chaleur.
Pour l’observatoire, les chercheurs du NIST ont fabriqué plus de 2 000 minuscules résonateurs et SQUID sur une seule plaquette de silicium. Sur une période de deux ans, l’équipe a fabriqué plus de 50 de ces plaquettes, qui seront utilisées pour lire les bolomètres des capteurs de transition. Les chercheurs n’ont jamais produit une telle quantité de circuits supraconducteurs de haute qualité.
Dans leur étude la plus récente, les scientifiques ont démontré qu’il leur suffisait de tester électroniquement quatre des 32 puces logées sur chaque tranche pour vérifier le fonctionnement de l’ensemble de la tranche.
Hubmayr, Mates, Dante Jones et leurs collègues du NIST ont soumis un rapport sur leurs travaux au Journal de physique thermique.
Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation du NIST. Lire l’histoire originale ici.