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Les physiciens d’Argonne disent que le froid et le sec sont parfaits pour examiner la plus ancienne lumière de l’univers.
Lorsque votre lieu de travail est le pôle Sud, les choses peuvent devenir un peu inhabituelles. La lumière émise il y a des milliards d’années pourrait aider à résoudre des mystères persistants sur l’évolution de l’univers. Il s’avère que le meilleur endroit sur Terre pour détecter cette lumière, connue sous le nom de fond diffus cosmologique, est le pôle Sud. C’est donc là que se trouve le télescope. Le site Télescope du Pôle Sudest le fruit d’une collaboration entre plus de 20 universités et laboratoires nationaux, dont l’Institut de recherche de l’Union européenne. Université de Chicago et Argonne National Laboratory, a commencé à fonctionner en 2007.
Ici, deux physiciens de l’Argonne National Laboratory parlent de leur travail avec le South Pole Telescope et de son importance. Lindsey Bleem collecte et analyse les données du télescope, et Clarence Chang développe des détecteurs supraconducteurs pour le télescope.
Le télescope du pôle Sud, fruit d’une collaboration entre plus de 20 universités et laboratoires nationaux, dont l’Université de Chicago et l’Argonne National Laboratory, cartographie la lumière résiduelle du tout premier âge de l’univers. Crédit : Photo de Jason Gallicchio
Qu’est-ce que le fond diffus cosmologique et que nous apprend-il sur l’univers ?
Chang : Le fond diffus cosmologique est le signal qui a été produit lorsque l’univers avait environ 380 000 ans. Il correspond à une période où l’univers est passé d’un état de super-chaleur à un état d’équilibre. plasma où les protons et les électrons volaient dans tous les sens, puis, une fois l’univers suffisamment refroidi, les protons et les électrons ont pu former des atomes.
Aujourd’hui, ce signal apparaît à des longueurs d’onde plus importantes, dans la gamme des micro-ondes (quelques millimètres). Ainsi, en étudiant et en observant l’univers dans ces longueurs d’onde, nous pouvons observer l’univers primitif – essentiellement, prendre une photo de bébé.
Le groupe de scientifiques et d’ingénieurs travaillant au télescope pendant la saison 2011-2012. Crédit : Photo courtoisie de Nils Halverson
Bleem : Nous savons depuis sa découverte dans les années 1960 que le CMB est incroyablement uniforme. Les écarts de température, qui reflètent les changements de densité de ce plasma primitif dont parlait Clarence, ne sont que d’environ une partie sur 100 000. Nous savons que ces petites fluctuations ont dû se développer pendant toute la durée de l’univers.
En plus de nous donner cette belle photographie, en fait, du bébé univers, la lumière qui a été émise à ce moment-là a voyagé pendant tout l’âge de l’univers, 14 milliards d’années. Elle a interagi avec toutes les structures qui se sont formées depuis ces premiers temps. Nous pouvons donc étudier les empreintes très subtiles que ces structures laissent dans le CMB afin de comprendre les processus et la physique qui se sont produits entre le moment où la lumière a été émise et aujourd’hui.
Comment faites-vous cela ?
Bleem : Nous le faisons par le biais de deux analyses scientifiques importantes et différentes. L’une d’elles s’appelle l’effet de lentille gravitationnelle. C’est lorsque des masses astronomiques le long de la ligne de visée peuvent dévier la trajectoire de la lumière.
La seconde est la physique qui se produit lorsque les photons – la lumière du fond diffus cosmologique – peuvent se disperser sur la matière de ces structures intermédiaires. Nous pouvons retracer ce processus de diffusion, puis cartographier les structures le long de la ligne de visée, ce qui peut nous aider à sonder des choses comme l’énergie sombre, qui a un impact important sur la capacité des structures vraiment massives telles que les amas de galaxies à se former.
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Et pourquoi le télescope doit-il se trouver au pôle Sud ?
Bleem : L’Antarctique lui-même, comme vous pouvez l’imaginer d’après les photos, est assez froid. C’est extrêmement sec. C’est le plus grand désert du monde. Cela en fait un endroit fantastique pour l’astronomie que nous faisons au télescope du pôle Sud. Notre télescope observe à des longueurs d’onde millimétriques. L’eau présente dans l’atmosphère atténue les longueurs d’onde millimétriques qui nous intéressent, et le remue-ménage des molécules d’eau peut ajouter une grande source de bruit aux données. Nous devons donc nous rendre dans ces endroits secs et éloignés pour effectuer ces observations. Et il s’avère que le pôle Sud est le meilleur endroit sur Terre pour faire ces observations, suivi par le désert d’Atacama au Chili.
C’est comment de travailler dans cet environnement ?
Chang : Nous sommes au pôle Sud parce que c’est sec. Cette sécheresseest excellent pour nos observations. Mais en tant qu’êtres humains, nous aimons avoir un peu d’humidité dans l’air. C’est quelque chose qui est un peu difficile et qui peut aussi interférer avec la façon dont les choses se passent au jour le jour.
Bleem : Ouais. Ce n’est pas le plus convivial. Votre peau va craquer. Les blessures ne guérissent pas très bien au pôle Sud. Ce n’est pas génial pour les ordinateurs d’être dans cet environnement sec. Nous avions en fait un humidificateur qui soufflait sur un de nos ordinateurs pour qu’il fonctionne un peu mieux.
Les scientifiques qui travaillent au télescope du pôle Sud mesurent le signal émis par la lumière la plus ancienne de l’univers (le fond diffus cosmologique). L’air froid et sec de l’Antarctique protège le signal des interférences atmosphériques. Crédit : Photo gracieuseté de Lindsey Bleem
Comment votre travail à Argonne est-il lié au télescope ?
Chang : À Argonne, nous avons développé une technologie supraconductrice pour les détecteurs. Ces détecteurs doivent mesurer des photons dont la longueur d’onde est assez grande – typiquement un millimètre, 2 millimètres, 3 millimètres. La technologie des appareils photo classiques, tels que ceux utilisés dans nos téléphones, même poussée à l’extrême, ne voit toujours pas très bien ces photons. En fait, elle ne les voit pas du tout.
Nous devons donc créer une nouvelle technologie pour le faire. Et à la base, cela signifie comprendre et contrôler les matériaux supraconducteurs, puis les traiter pour fabriquer ces détecteurs très sensibles et en fabriquer un grand nombre. À Argonne, il existe un programme solide de recherche sur les matériaux de base et d’application de ces matériaux à différentes technologies.
Bleem : Nous avons également couplé très étroitement le développement de nos détecteurs à tous les travaux réalisés à l’aide des superordinateurs de pointe de l’Argonne Leadership Computing Facility. Nous sommes donc en mesure de faire les importantes prédictions théoriques qui nous permettent de relier les observations que nous faisons avec le télescope du pôle Sud aux prédictions des différents modèles cosmologiques sur ce que nous devrions voir.
Il y a donc une interconnexion très puissante à Argonne, non seulement entre les cosmologistes et les installations de fabrication de matériaux et les scientifiques, mais aussi avec nos grands experts en informatique.
Le télescope du pôle Sud est financé et soutenu par la National Science Foundation, le DOE Office of High Energy Physics, le Kavli Institute for Cosmological Physics, le U.S. Antarctic Program et l’Antarctic Support Contract.
