Il y a près de 14 milliards d’années, l’univers est né dans un flou de mystère. Le nouvel observatoire Simons, situé dans le désert d’Atacama au Chili, pourrait bientôt répondre à la grande question scientifique de savoir ce qui s’est passé dans la petite fraction de seconde qui a suivi le Big Bang.
L’Observatoire Simons se compose d’un télescope à grande ouverture et de trois télescopes plus petits d’environ un demi-mètre d’ouverture, « à taille très humaine », a déclaré Michael Niemack, professeur de physique et d’astronomie au Collège des Arts et des Sciences, qui dirige l’équipe Cornell dans la collaboration multi-institutionnelle. Deux des télescopes à petite ouverture ont terminé leurs premiers tests et les premières observations scientifiques ont commencé, marquant une étape majeure dans ce projet qui s’étale sur une décennie.
Le télescope à grande ouverture, lorsqu’il sera mis en ligne, fournira les meilleures mesures de la constante de Hubble et aidera à expliquer pourquoi et comment l’univers est actuellement en expansion, tandis que les trois télescopes à petite ouverture feront la lumière sur l’inflation initiale de l’univers.
Le télescope à grande ouverture, a déclaré Niemack, est similaire au télescope submillimétrique Fred Young (FYST) sur lequel il travaille également et que Cornell et ses partenaires construisent au Chili, sauf que le télescope de l’observatoire Simons est conçu pour fonctionner à des longueurs d’onde plus longues que le FYST. .
« Les télescopes de l’Observatoire Simons peuvent mesurer les signaux d’une éventuelle expansion exponentielle qui, selon nous, s’est produite une fraction de seconde après le Big Bang », a déclaré Niemack. Ces signaux sont des fluctuations de la polarisation du fond diffus cosmologique (CMB) provoquées par les ondes gravitationnelles générées immédiatement après le Big Bang.
« Ces télescopes utilisent certains des réseaux de détecteurs de fond cosmique à micro-ondes les plus avancés jamais construits », a-t-il déclaré.
Le début des observations scientifiques a été un moment passionnant pour l’équipe de Niemack, qui comprend actuellement quatre étudiants de premier cycle, sept étudiants des cycles supérieurs, trois postdoctorants et un bénévole d’une école secondaire locale. L’équipe a passé des années à travailler sur la conception du réseau de détecteurs, ainsi qu’à mettre en œuvre et tester chacun des sous-systèmes du télescope dans le cadre de la collaboration dirigée par le chercheur principal Brian Keating de l’Université de Californie à San Diego.
« Nous espérons faire des découvertes avec ces télescopes, mais nous ne savons pas avec certitude ce que nous apprendrons sur l’univers et ses premières galaxies et amas de galaxies lorsque ces nouveaux télescopes seront mis en service », a déclaré le doctorant Zachary Huber. « Je suis impatient de voir ces découvertes, qu’elles soient celles auxquelles nous nous attendions ou non. »
Il y a sept réseaux de détecteurs dans chacun des télescopes à petite ouverture, disposés en forme hexagonale, un au milieu étant entouré des six autres. Chacun de ces réseaux contient près de 2 000 détecteurs.
« Les détecteurs doivent être refroidis à des températures très basses – moins 273 degrés Celsius, soit environ un dixième de degré au-dessus du zéro absolu, pour les rendre extrêmement sensibles aux infimes changements d’intensité de la lumière de l’univers primitif que nous mesurons avec nos télescopes », a déclaré Niemack.
Le réseau de détecteurs est très complexe, a déclaré Niemack. Les composants optiques collectent en fait la lumière ; de petites antennes mesurent chacune des deux polarisations linéaires différentes de la lumière derrière chacun des composants optiques. Les structures nanofabriquées transmettent la lumière à travers les circuits du réseau de détecteurs, puis convertissent cette lumière en chaleur qui peut être mesurée à l’aide de capteurs supraconducteurs à bord de transition qui fonctionnent au point de transition supraconducteur, ce qui leur permet d’être utilisés comme thermomètres extrêmement sensibles.
L’étudiant au doctorat Ben Keller, en plus de son travail de test de parties des réseaux de détecteurs du télescope et de caractérisation des performances des détecteurs, a également eu un travail particulièrement éprouvant pour les nerfs : il faisait partie du groupe qui devait porter le détecteur à la main. baies des États-Unis au Chili.
« Comme chaque réseau coûte des centaines de milliers de dollars et est extrêmement fragile, les transporter à travers quatre aéroports était très intimidant », a déclaré Keller. « Bien sûr, pour leur installation sur le télescope, nous avons dû être encore plus prudents. »
L’Observatoire Simons est situé à 17 000 pieds d’altitude au Cerro Toco, dans la chaîne des Andes, ce qui rend le travail difficile et nécessite l’utilisation d’un supplément d’oxygène.
« Travailler à cette altitude était très épuisant », a déclaré Keller. « L’air est raréfié et le soleil est vraiment intense. Lors de mon premier jour là-bas, j’ai eu un coup de soleil à travers deux couches de vêtements. »
Huber était au Chili l’année dernière avec deux de ses collaborateurs de l’Université de Yale installant plusieurs ordinateurs, périphériques réseau, un énorme disque de stockage et d’autres infrastructures informatiques qui traiteront et stockeront les données provenant des télescopes.
« Une partie de la motivation pour participer à ce voyage particulier était que nous devrons éventuellement acquérir et installer un équipement très similaire pour FYST », a déclaré Huber, qui a travaillé sur ce projet au cours de l’année écoulée.
Même une fois que les quatre télescopes de l’Observatoire Simons font activement de la science, la recherche et le développement de Niemack et de son équipe sur les instruments ne s’arrêtent pas. L’Observatoire Simons a déjà commencé à construire davantage de détecteurs et d’optiques pour le télescope à grande ouverture, ainsi que des panneaux solaires pour alimenter l’observatoire.