Observatoire Alma : explorez les coulisses d'un instrument unique au monde. Par Rémy Decourt

Observatoire Alma : explorez les coulisses d'un instrument unique au monde

Les premiers résultats scientifiques de l’observatoire Alma sont meilleurs que prévu. Ils sont déjà très bons alors que seulement 32 antennes sont en service. Voilà qui promet de belles avancées lorsque la totalité des 66 antennes seront en activité. Futura-Sciences a interrogé sur place Denis Barkats, astronome système, qui nous fait découvrir ce joyau géant.

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Instrument de tous les superlatifs (le plus grand, le plus haut, le plus puissant dans son domaine), Alma, avec ses 66 antennes, est perché à plus de 5.000 mètres d’altitude dans le nord du Chili.

Inauguré il y a quelques mois, Alma est le projet astronomique le plus ambitieux du monde. Né d’un partenariat de plus d’un milliard d’euros entre l’Eso, l’observatoire états-unien de Radioastronomie (NRAO), l’observatoire astronomique national du Japon (NAOJ) et le Chili, il est l’observatoire radio millimétrique et submillimétrique le plus grand et le plus moderne à l’échelle mondiale. Il représente un bond technologique si important qu’il n’aura pas d’équivalent dans les cinq prochaines décennies.
En captant les émissions radio provenant des régions les plus lointaines, les plus anciennes et les plus froides de l’univers, les astronomes s’attendent à des avancées scientifiques considérables dans tous les domaines de l’astrophysique et de l’astrochimie.

Pour nous faire découvrir cet observatoire, nous avons rencontré le Français Denis Barkats, astronome système d’Alma chargé de la mise en service et des observations scientifiques pour les astronomes, car « les observations sont effectuées en mode de service par le personnel d’Alma ». Bien qu’il ait été inauguré voilà quelques mois, l’observatoire Alma n’est pas encore complètement opérationnel. Le réseau fonctionne en régime réduit avec seulement « 32 des 66 antennes qu’il comptera lorsqu’il sera complet ». Toutefois, il produit déjà un flux continu de données scientifiques qui ravit la communauté astronomique mondiale, tant « ces premiers résultats sont bien au-delà des attentes ».

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Une partie des antennes de 12 mètres d'Alma, certaines états-uniennes et d’autres européennes. Au premier plan, un emplacement sur lequel on installe une antenne en fonction de la configuration nécessaire aux besoins d'une observation.

Le plateau de Chajnantor, un site unique au monde

Comme l’explique Denis Barkats, si Alma n’est pas le premier interféromètre fonctionnant dans ces longueurs d’onde, « il est unique au monde » par ses performances et sa taille. Avec 66 antennes (54 de 12 mètres de diamètre et 12 de 7 mètres), Alma surpasse ses prédécesseurs, dont l’interféromètre du plateau de Bure de l’Iram qui compte aujourd’hui 6 antennes et devrait en avoir 12 en 2018. Alma permet un bond en résolution et en sensibilité « d'un facteur dix en raison notamment de lignes de base susceptibles d’atteindre 15 km, contre 1 km aujourd’hui ». Une performance remarquable rendue possible en outre en raison de la qualité des antennes européennes construites par Thales Alenia Space. En performantes, elles surpassent certaines de leurs spécifications, dont le pointage et le tracking.

Alma a été implanté à 5.050 m d’altitude sur le plateau de Chajnantor dans le désert chilien d’Atacama. Situé près de la ville de San Pedro de Atacama, ce site a la particularité d’être très sec. Il y pleut moins de 10 mm par an, et « c’est ce que recherchaient les astronomes ». Cette rareté de l’eau dans l’atmosphère au-dessus d’Alma permet aux ondes radio de « la traverser avec très peu de distorsion et d’atténuation ». Dans le cas contraire, les signaux radio seraient absorbés avant d’atteindre les antennes, ce qui dégraderait la qualité des observations ou les rendrait même impossibles.

Alma, des dizaines de configurations pour observer le ciel

Pour comprendre le fonctionnement d’Alma, il faut savoir que les antennes ne sont pas fixes. Elles sont susceptibles d’être réparties en plusieurs configurations à l’intérieur d’un site d’environ 16 km² qui comporte 250 emplacements pour les recevoir.

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Les antennes de sept mètres d'Alma. L’observatoire est également constitué d’antennes de 12 mètres de diamètre.

Ce sont ces configurations qui déterminent la sensibilité du réseau, qui dépend aussi de la surface collectrice totale, qui peut atteindre plus de 7.000 m². Le choix d’une configuration tient compte des « besoins scientifiques nécessaires à une observation en matière de résolution angulaire, de champ de vue, de configuration spectrale et de la précision de calibration ». En effet, la résolution angulaire (θ) est inversement proportionnelle aux distances maximales entre antennes (lignes de base, D), qui pourront atteindre 15 km pour les plus grandes configurations du réseau, et proportionnelle à la longueur d’onde (λ), selon l’équation θ ~ λ/D.

Quant au fonctionnement de cet interféromètre géant, il est « simple dans son principe », mais complexe en application. Les antennes sont les yeux de l’observatoire et pointent dans une direction spécifique. Le signal millimétrique et submillimétrique est ensuite capté par les récepteurs (la rétine), qui transforme les signaux électromagnétiques en signaux électriques. Ces signaux parcourent ensuite des kilomètres de fibre optique pour être acheminés vers le corrélateur, qui relie tous ces signaux ensemble sous forme numérique. Il joue ainsi le rôle du cerveau, qui multiplie ces signaux pour en extraire le vrai signal et en exclure le bruit.

Des performances meilleures que prévu

Reste que l’unicité de l’instrument et son emplacement dans un environnement hostile à l’Homme rendent son utilisation plus difficile que prévu. Ainsi, avec « un mode opératoire très différent de celui des télescopes actuels » et des équipes de différentes nationalités qui doivent apprendre à travailler ensemble et faire « cohabiter plusieurs cultures différentes », l’usage d’Alma se révèle « plus difficile que ce que l’on prévoyait » ! Résultat : pour cet observatoire qui commence tout juste sa première année d’opération, le temps effectif d’utilisation est de seulement 50 %, mais « en augmentation ».

Bien que le démarrage soit poussif, les premiers résultats scientifiques sont « bons, et même très bons ». L’Eso, l’un des trois partenaires de la construction et de l’opération d’Alma, s’est également rendu compte qu’il est « bien plus flexible qu’on le pense ». S’il est surtout conçu pour observer l’univers froid et sonder certaines des régions les plus sombres et les plus éloignées de nous, il peut également « observer le Soleil ». C’est ce qui a été fait tout récemment lorsqu’Alma a été employé « pour observer le passage de la comète Ison autour du Soleil ». Il pourrait même être utilisé pour observer le rayonnement fossile et des phénomènes qui se sont produits avant la période des âges sombres, ce qui constituerait une performance remarquable.

Il faut ajouter à cela que la compétition pour l’attribution du temps de télescope est très aiguë, car l’interféromètre millimétrique et submillimétrique Alma « intéresse tous les domaines de l’astrophysique, de la cosmologie à la planétologie ». Preuve de ce très grand intérêt que lui portent les astronomes, pour le troisième cycle d’observation qui débute en juin 2014, quelque « 1.300 propositions ont été reçues ». Compte tenu des 2.000 heures de temps d’observation disponibles, « 90 % de ses propositions ont dû être rejetées ». Une situation qui, bien évidemment, « nous pousse à rendre l’opération d’Alma la plus efficace et optimale possible ».

L’avenir d’Alma

Alma est conçu pour fonctionner pendant au moins 30 ans. Bien qu’il ne soit pas encore complètement opérationnel, des projets d’amélioration sont d’ores et déjà avancés. Cela dit, aucune évolution majeure n’est prévue, tout simplement parce qu’en matière de sensibilité pure, « Alma approche de la limite imposée par la physique quantique pour ce type de récepteurs cohérents ». Parmi les améliorations attendues, on citera plus de bandes de fréquence, un meilleur corrélateur et peut-être des lignes de base plus longues.

Dernier point, et non des moindres, il ne sera pas possible de vérifier les résultats d’Alma par d’autres instruments. Pour Denis Barkats, c’est d’autant plus passionnant qu’on s’attend à « des découvertes sans précédent ».

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