Le LSST sera construit à 2.700 m d'altitude, sur le site du Cerro Pachón, choisi dès 2006 pour son ciel sans nuage, son faible niveau de pollution lumineuse et son climat sec. Le site accueille déjà de nombreuses infrastructures et notamment deux autres télescopes d'envergure : le Gemini Sud et le Southern Astrophysical Research Telescope (SOAR). © LSST Science Team

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Le télescope géant LSST va traquer matière et énergie noires

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D'ici quinze ans, la matière noire et l'énergie sombre seront beaucoup moins énigmatiques qu'aujourd'hui. C'est du moins le pari que fait l'équipe internationale de scientifiques du projet de grand télescope LSST (Large Synoptic Survey Telescope) dont la première pierre vient d'être posée au Chili. La France est l'un des trois pays à la base de ce projet que nous détaille Pierre Antilogus, responsable scientifique de la collaboration LSST-France et chercheur au CNRS.

Interview : le futur LSST nous renseignera sur l'énergie noire  L'accélération de l'expansion de l’univers est un phénomène que l’on impute à l’énergie noire. Cette énergie hypothétique aurait le comportement d’une force répulsive, inverse à la gravitation. Futura-Sciences a questionné Aurélien Barrau astrophysicien spécialisé en cosmologie et auteur du livre Des univers multiples, afin qu’il nous explique comment sa détection serait possible. 

Avec la pose de la première pierre a débuté la construction du LSST (Large Synoptic Survey Telescope), l'un des plus puissants télescopes du monde. Il sera construit au Chili, pays de l'astronomie qui héberge notamment Alma et le VLT, sur le site de Cerro Pachón, dans les Andes chiliennes. D'un diamètre de 8,4 mètres, il sera doté de la plus puissante caméra numérique jamais construite, développée en partie par des laboratoires du CNRS. Une webcam permet de suivre sa construction en direct.

Comme nous l'explique Pierre Antilogus, responsable scientifique de la collaboration LSST-France et chercheur au CNRS, ce télescope est le « fruit d'un partenariat public-privé impliquant plusieurs établissements de recherche dans le monde dont des français ». La France, « à travers une participation à la construction de la camera du LSST », est l'un des trois pays qui participent à la construction du LSST avec les États-Unis, qui dirigent le projet et en sont à l'origine, et le Chili, qui fournit le site. À ce titre, l'ensemble des laboratoires français de l'IN2P3 (institut national de Physique nucléaire et de physique des particules) participant à cette construction « auront accès à l'ensemble des observations du LSST et ses chercheurs ont intégré les collaborations scientifiques mises en place au sein du LSST ». Enfin, la France participera au « fonctionnement du projet à travers la prise en charge de 50 % du traitement des données du LSST », ce qui permettra d'étendre la communauté française contribuant à la science du LSST au-delà des laboratoires participant à sa construction.

Un télescope, une caméra et... un plan d'observation sur 10 ans

Le LSST marque un saut technologique dans sa conception. Ce n'est pas seulement un télescope « c'est un ensemble de trois éléments qui comprend un télescope, une caméra et un plan d'observation sur 10 ans ». Cette approche inédite à trois éléments « pousse à l'extrême le concept de "survey" dédié, maximisant au mieux le temps disponible pour un programme d'observation donné ».

Avec ses trois miroirs« un miroir principal de 8,4 m, un miroir secondaire de 3,4 m (le plus grand miroir convexe jamais construit) et un miroir tertiaire de 5,0 m », le LSST sera une nouvelle fenêtre sur l'univers. Il permettra une observation profonde du ciel sur une très grande surface. Ainsi, « la totalité du ciel visible de l'hémisphère sud sera observée et couverte en seulement 3 jours ». Chaque pose du LSST, toutes les 20 secondes, couvre 9,6 degrés carrés, soit 47 fois la taille de la Pleine Lune et ce de façon très rapide et en continu.

La conception inédite du grand télescope LSST repose sur trois miroirs. Le miroir secondaire, de 3,4 mètres, est le plus grand miroir convexe jamais construit. © LSST Science Team

Trois miroirs pour observer l'univers

Le LSST va non seulement réaliser un cartographie détaillée de l'univers mais il va aussi « réaliser un film en trois dimensions de l'ensemble de l'univers visible depuis le Chili ». Chaque portion du ciel sera observée environ 80 fois par an, pendant 10 ans.

De plus, le « volume d'informations collectées par le LSST dépassera de loin tout ce qui a été fait dans le domaine, en collectant 30 téra-octets de données par nuit ». En fin de programme le projet laissera une « base de données de 1 péta-octet comptant 20 milliards de galaxies, 17 milliards d'étoiles, avec pour chacun de ces objets les informations correspondant à leur variation au cours du temps à travers les quelque 800 observations collectées en 10 ans ».

Pour remplir ces objectifs, la conception de l'instrument a relevé plusieurs défis avec, en particulier, un « système de trois miroirs très compacts, assurant une qualité optique sur toute la surface du champ » et permettant aussi un « pointé rapide du télescope ». Ce système sera doté de la camera la « plus grande jamais réalisée (3,2 milliards de pixels ) avec une lecture très rapide de deux secondes, ce qui est environ 10 fois mieux que ce qui est commun en astronomie ». Cette conception a été possible grâce à des « activités de R&D spécifiques sur les CCD [Charge-Coupled Device, un type de capteur photographique, NDLR] et sur une électronique de lecture compacte à base d'ASIC (Application Specific Integrated Circuit, pour circuit intégré programmable) spécialement développée pour le projet ». Enfin, un investissement majeur dans les moyens de calcul (big data) et le développement logiciel a été nécessaire. « La contribution française dans le LSST est directement liée à ces deux derniers points. »

Par rapport aux instruments existants et similaires dans les objectifs, le LSST représente « une capacité d'observation de l'univers de deux ordres de grandeur plus importante que tout ce qui existe à ce jour ». L'ensemble de l'univers visible depuis le site du LSST sera observé en continu. « Aucun programme d'observation à ce jour n'a observé non seulement un tel volume de l'univers mais aussi à une telle fréquence. »

Comprendre la matière noire et l'énergie sombre

Le LSST permettra également de mesurer avec une précision inégalée les quantités physiques associées à la matière et à l'énergie noires pour nous aider à mieux comprendre la structure même de l'univers. « On parviendra ainsi à déterminer la position précise de plus de 10 milliards de galaxies (soit dix mille fois plus qu'aujourd'hui). » Surtout, il fournira des informations souvent inédites sur la matière noire et sur l'énergie noire. Le LSST permettra de mesurer « précisément leurs propriétés physiques et la façon dont ces deux composants ont façonné notre univers ».

Toutefois, même si ce télescope fournit des informations inédites sur la matière noire et sur l'énergie noire, il serait surprenant que ce problème soit clos par le LSST, tient à préciser Pierre Antilogus. Ainsi, la « découverte du Higgs au Cern au début de cette décennie n'a pas clos l'ensemble des problèmes liés au Higgs et, par exemple, la possibilité qu'il s'agisse d'un objet composite ne peut être exclue à ce jour ».

Le LSST couvrira « l'ensemble des domaines de l'astronomie moderne et concernera l'ensemble de l'univers (Système solaire, galaxies...) pour qui il fournira des données sur la composition et l'évolution ». Il donnera aussi par « sa dimension temporelle accès à un ensemble inégalé de phénomènes transitoires (explosions de supernovae, passages d'astéroïdes...) ».