Projet SKA (Square Kilometre Array)

Le projet SKA (Square Kilometre Array) vise à créer un radiotélescope terrestre d’une sensibilité sans précédent. Le développement de ce projet a commencé à la fin du 20e siècle. Initialement, sa surface effective totale devait être d’un kilomètre carré (d’où son nom), mais il a été décidé de la porter à 5 kilomètres carrés d’ici à 2030. Le coût total du projet est estimé à au moins 1,8 milliard de dollars. En raison du coût élevé du projet, presque toutes les grandes économies du monde y participent : la Chine, l’Inde, l’Allemagne, le Royaume-Uni, l’Italie, le Canada, l’Australie, la Nouvelle-Zélande, l’Afrique du Sud et la Suède.

Paramètres clés du SKA

Pour couvrir la plus grande gamme possible de fréquences radio (de 50 mégahertz à 14 gigahertz), deux types d’antennes sont prévus : des antennes dipôles à basse fréquence et des antennes paraboliques de 12 à 15 mètres. Les premières sont sensibles à la gamme de 50 à 350 mégahertz, les secondes couvrent la gamme de 350 mégahertz à 14 gigahertz. Les antennes dipôles seront regroupées en stations de 100 mètres de long et de 90 antennes.

Situation géographique du télescope

Situation géographique du radiotélescope en Australie et en Afrique

Géographiquement, le radiotélescope se composera de trois parties principales :

• Deux noyaux de 5 km en Afrique du Sud et en Australie occidentale, contenant environ la moitié des antennes du radiotélescope ;
• Des extensions de 180 km des deux noyaux ;
• Des stations isolées composées de 20 antennes qui seront situées jusqu’à 3 000 kilomètres des deux noyaux du radiotélescope. Ces stations seront situées en Nouvelle-Zélande, au Botswana, au Ghana, au Kenya, à Madagascar, à Maurice, au Mozambique, en Namibie et en Zambie.

Les trois phases du projet sont les suivantes

SKA1 : La première phase portera la surface effective du radiotélescope à environ un demi-kilomètre carré d’ici 2023. Au cours de cette phase, 200 des 3 000 antennes paraboliques prévues en Afrique du Sud et 130 000 antennes dipôles (sur les 2 millions prévues) en Australie seront installées. La surface effective totale des deux segments sera de 33 et 419 000 m2 et la quantité d’informations générées atteindra respectivement 2 et 157 téraoctets par seconde ou 0,062 et 4,9 zétaoctets par an. Le volume quotidien d’informations généré par le segment sud-africain sera équivalent à la capacité de mémoire de 340 000 ordinateurs portables, tandis que le segment australien générera l’équivalent de 35 000 DVD, soit cinq fois le volume du trafic Internet mondial en 2015. La première phase coûtera environ 0,8 milliard de dollars.

En 2022, SK1 sera le plus grand radiotélescope du monde. Comparer les caractéristiques des plus grands télescopes au monde à ce jour :

• Un radiotélescope de 500 mètres en Chine avec une surface effective totale de 71 000 m2 ;
• Le réseau européen LOFAR de 34 000 antennes basse fréquence avec une surface effective totale de 52 000 m2 ;
• Le réseau indien GMRT de 30 antennes paraboliques basse fréquence de 45 m avec une surface effective totale de 48 000 m2 ;
• Le radiotélescope d’Arecibo, d’une longueur de 300 mètres et d’une surface effective totale de 42 000 m2 ;
• Le réseau américain JVLT, composé de 27 antennes de 25 mètres avec une surface effective totale de 13,2 milliers de m2.

En fonction de la fréquence de fonctionnement, le télescope SKA1 aura des surfaces effectives différentes : 0,7 km2 à 100 mégahertz, 0,2 km2 à 200 mégahertz, 0,3 km2 à 300 mégahertz et 0,033 km2 à des fréquences plus élevées. Comparé à LOFAR et au JVLT, SKA1 les surpassera respectivement d’un facteur de 1,2 et 4 en termes de résolution, de 135 et 60 en termes de vitesse de sondage, et de 8 et 5 fois en termes de sensibilité. Les dernières spécifications de SKA1 :

SKA2. La deuxième phase est prévue pour porter la zone d’exploitation du radiotélescope à 5 km2 d’ici 2030.

Sensibilité du SKA aux ondes radio

Outre l’augmentation du nombre d’antennes paraboliques et dipolaires conventionnelles à plusieurs milliers et millions, respectivement, il est prévu de déployer un troisième noyau d’un nouveau type d’antennes à moyenne fréquence (similaires à celles utilisées dans le noyau du radiotélescope LOFAR). Les capacités des nouvelles antennes, avec un champ de vision de 100 degrés carrés, seraient comparables à celles d’une caméra spectroscopique optique de 10 gigapixels.

Ces antennes présentent un grand potentiel pour la recherche de signaux de civilisations extraterrestres, car elles permettent d’effectuer des relevés radio de l’ensemble du ciel :

Antennes à moyenne fréquence du SKA

Il convient de noter que si la quantité d’informations générée par les antennes paraboliques est comparable à 10 fois le trafic du World Wide Web, dans le cas des antennes à moyenne fréquence, elle est comparable à 100 fois le trafic du World Wide Web.

SKA3. Au cours de la dernière phase, il est prévu d’étendre la plage de sensibilité du radiotélescope à 30 gigahertz.

Prototypes du système

Illustration visuelle de l’énorme quantité de données que le nouveau radiotélescope générera.

Trois prototypes du système ont été construits en Australie et en Afrique du Sud avant la construction de la phase 1 du SKA :

• Le projet Australian SKA Pathfinder (ASKAP), d’une valeur de 100 millions de dollars, a installé 36 antennes paraboliques de 12 mètres de diamètre avec une surface effective totale de 4 000 m2 (base maximale de 6 km) en Australie occidentale entre 2010 et 2012. Le projet offre un grand champ de vision de 30 degrés carrés à 1,4 gigahertz, avec une plage de fonctionnement de 0,7 à 1,8 gigahertz.
• Le projet sud-africain MeerKAT installera d’ici 2018 64 antennes paraboliques de 13,5 mètres ayant une plage de fonctionnement comprise entre 0,58 et 14 gigahertz et une surface effective totale de 9 000 m2 (base maximale de 29 km). En 2016, il a été rapporté que lors des observations test des 16 premiers télescopes du projet, 1230 galaxies ont été enregistrées dans une zone de 0,01 % du ciel total (seules 18 d’entre elles étaient connues auparavant).
• Dans le cadre du projet australien MWA (Murchison Widefield Array) en Australie occidentale, un réseau basse fréquence de 3 kilomètres de diamètre composé de 2048 antennes dipôles avec une plage de fonctionnement de 80-300 mégahertz et une zone de collecte totale de 2500 m2 a été mis en place.

Une fois opérationnel, le radiotélescope devrait générer une énorme quantité de données brutes : environ 1 exobyte par jour, ce qui correspond au volume actuel du trafic quotidien du World Wide Web ou à la capacité totale de mémoire de 15 millions d’iPads de 64 Go. Après compression des données, le volume quotidien de données du radiotélescope peut être réduit à 1 pétaoctet. Mais même pour un tel volume, la société IBM doit développer des lecteurs de bandes de 35 téraoctets avec une densité record d’enregistrement de l’information (29,5 Gbit par pouce carré).

Comme le montre le diagramme ci-dessus, l’astronomie a largement dépassé la génomique. Une autre illustration de la concurrence de l’astronomie sur la génomique dans le domaine des «Big Data» :

Bases de données d’ici 2025

Le traitement de l’énorme quantité d’informations nécessitera une puissance de calcul égale à 100 pétaflops, ce qui est comparable aux superordinateurs les plus puissants de la liste des 500 premiers.

Tâches scientifiques du radiotélescope SKA

Les principaux objectifs scientifiques du projet de radiotélescope SKA sont les suivants :

• L’étude de l’Univers très jeune (premières étoiles et galaxies, milieu interstellaire) ;
• Questions sur l’origine de la vie dans l’Univers ;
• L’étude des champs magnétiques des étoiles et des galaxies ;
• Recherche d’incohérences dans la théorie actuelle de la gravité pour développer une nouvelle théorie plus fondamentale de la gravité ;
• la recherche de nouveaux phénomènes et objets ;
• Trouver une réponse à la question de savoir de quoi sont constituées la matière et l’énergie noires.

En ce qui concerne le premier point, le segment basse fréquence du radiotélescope devrait permettre de détecter des nuages d’hydrogène neutre intergalactique avec un décalage vers le rouge record (z=6-27), ce qui correspond à l’âge de l’Univers de 100 à 1000 millions d’années. La résolution angulaire des images sera d’environ 10 minutes angulaires avec un champ de vision de 10 degrés carrés. Un degré angulaire à une distance de z=8 correspond à 100 mégaparsecs. À titre de comparaison, le record actuel de décalage vers le rouge pour une galaxie est de z=11.

Premières étoiles et galaxies

En ce qui concerne la capacité du SKA à détecter des signaux radar d’aéroport à une distance de 50 années-lumière de la Terre, la deuxième question est la suivante. Les signaux des analogues des radars militaires SPRN de la Terre peuvent être détectés par le radiotélescope pendant une semaine d’observations à une distance de plusieurs centaines de parsecs. Selon des calculs plus récents, SKA2 peut vérifier jusqu’à un million d’étoiles pour la présence d’analogues des radars d’aéroport de la Terre (avec une durée d’observation de 60 minutes et une confiance statistique de détection de 12 sigma) :

Graphique montrant l’augmentation du nombre de systèmes stellaires détectés

En outre, on s’attend à ce qu’il détecte l’émission radio des aurores des exoplanètes situées sur des étoiles proches.

Une autre tâche importante du radiotélescope pourrait être la recherche de nouveaux pulsars radio. On pense que SKA1 sera en mesure de détecter plus de 15 000 pulsars radio inconnus jusqu’à présent (environ 2 600 sont connus aujourd’hui) :

On s’attend à ce qu’après le SKA, il n’y ait plus de pulsars inconnus dans notre galaxie (on estime actuellement à près de 100 000 le nombre d’étoiles à neutrons dans notre galaxie, mais seulement 20 % d’entre elles ont des impulsions radio dirigées vers un observateur terrestre). En outre, la synchronisation des pulsars sur le SKA devrait offrir des possibilités sans précédent de recherche d’ondes gravitationnelles et de particules ultralégères de matière noire :

Une autre option pour prédire la sensibilité du SKA aux ondes gravitationnelles :

Des options sont envisagées pour attacher d’autres radiotélescopes au radiotélescope afin d’augmenter la base de 3 à 9 000 kilomètres. Le nombre de pulsars pour lesquels la parallaxe trigonométrique peut être mesurée avec une précision supérieure à 20 % passera ainsi à 4,5 milliers (soit une augmentation de 50 %).

Pour l’échange de données, il est proposé d’utiliser des câbles sous-marins à fibres optiques d’une largeur de bande de 10 gigabits par seconde :

La mesure de la distance exacte des pulsars est une condition préalable pour les chronométrer afin de rechercher des ondes gravitationnelles et des particules de matière noire. Une autre application intéressante du SKA pourrait être la recherche de faibles émissions radio de la Lune, causées par des particules de rayons cosmiques à très haute énergie frappant la surface lunaire.

Au total, on s’attend à ce que les observations de 10 heures du SKA permettent d’enregistrer environ 100 milliards de sources radio jusqu’à 0,1 microJans.

Bien que le SKA ne soit pas encore construit, ses prototypes opérationnels mènent déjà de précieuses recherches scientifiques. Par exemple, le réseau australien ASKAP réalise l’étude radio EMU (Evolutionary Map of the Universe) la plus profonde sur l’ensemble du ciel, avec une sensibilité de 10 microJans et une résolution angulaire de 10 pouces. Cette étude devrait permettre de détecter 70 millions de sources radio. À titre de comparaison, seules 2,5 millions de sources radio ont été détectées à ce jour dans la bande radio.

Parallèlement, le prototype sud-africain MeerKAT s’est illustré en observant la célèbre fusion d’étoiles à neutrons le 14 août dernier. Ces observations réalisées en août et septembre ont montré qu’à une longueur d’onde de 1,4 gigahertz, la luminosité de la source radio sur le site de la fusion d’étoiles à neutrons n’est pas supérieure à 60 microJans.

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Date de publication: 12-26-2023

Mettre à jour la date: 12-26-2023