par Yudhijit Bhattacharjee | 8 janvier 2015

Par un matin de mai, deux camion­­nettes traversent la petite bour­­gade de San Pedro, dans le désert d’Ata­­cama au Chili, et empruntent un chemin de terre à flanc de montagne. Nous sommes en 1994, et les cinq hommes au volant des camion­­nettes sont à la recherche d’un endroit bien précis : la zone la plus élevée, la plus sèche et la plus plate de la planète. Ils ont déjà passé une semaine et demie à faire du repé­­rage dans d’autres régions de l’Ata­­cama, notam­­ment du côté argen­­tin du désert. Désor­­mais équi­­pés d’une carte que des soldats chiliens ont fourni à l’un d’eux, un astro­­nome chilien du nom de Hernán Quin­­tana, ils cherchent un passage vers le plateau de Chaj­­nan­­tor. Situé à une alti­­tude de 5 000 mètres, il est presque aussi élevé que les deux camps servant de base aux grim­­peurs qui se lancent à l’as­­saut du Mont Everest.

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Plateau de Chaj­­nan­­tor
À 5 000 mètres d’al­­ti­­tude
Crédits : Clem & Adri Bacri-Normier/ESO

Révé­­ler l’in­­vi­­sible

La cordillère des Andes forme une barrière natu­­relle aux nuages prove­­nant d’Ama­­zo­­nie à l’est, et les vents du Paci­­fique à l’ouest ne char­­rient que peu d’hu­­mi­­dité en passant par les courants froids du Pérou (ancien­­ne­­ment appelé le courant de Humboldt). Le désert de l’Ata­­cama est ainsi réputé pour être un des endroits les plus secs du globe, avec à peine plus d’un centi­­mètre de pluies annuelles. L’iso­­le­­ment du désert, ainsi que son air sec, raré­­fié et inhos­­pi­­ta­­lier – idéal pour obser­­ver les cieux nocturnes – avaient déjà attiré plusieurs projets de téles­­copes multi­­na­­tio­­naux. La plupart étaient conçus pour obser­­ver la frac­­tion du cosmos visible grâce aux longueurs d’ondes optiques, la portion du spectre lumi­­neux que l’œil humain peut détec­­ter. Quin­­tana et ses compa­­gnons cher­­chaient un lieu pouvant accueillir une autre sorte de téles­­cope, conçu pour passer outre les voiles de pous­­sières et de gaz qui entourent les galaxies, se meuvent autour des étoiles et s’étendent partout dans le milieu inter­­s­tel­­laire. La concep­­tion et la construc­­tion du projet néces­­si­­te­­ront plus de vingt ans et plus d’un milliard de dollars. Mais dans un premier temps, il leur fallait trou­­ver le bon endroit.


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La nébu­­leuse du Crabe
Rémanent de super­­­nova vu par Chan­­dra
Crédits : NASA/JPL/CHANDRA

Dans l’uni­­vers, les objets irra­­dient de l’éner­­gie sous diffé­­rentes longueurs d’ondes, en fonc­­tion de leur tempé­­ra­­ture. Une super­­­nova ayant explosé est par exemple extrê­­me­­ment chaude. En plus d’émettre une lumière visible égale à celle de plusieurs milliards de soleils, elle libère des ondes courtes, des rayons X et des rayons gamma à éner­­gie élevée, détec­­tables par des téles­­copes spéciaux, comme Chan­­dra, le téles­­cope spatial à rayons X de la NASA. À l’op­­posé du spectre, on peut citer les comètes et les asté­­roïdes, qui diffusent des ondes à infra­­rouge plus longues, que nos yeux et téles­­copes optiques ne peuvent pas perce­­voir. La majeure partie de l’uni­­vers est encore plus froide. Les forma­­tions de pous­­sières et de gaz compo­­sant les étoiles sont à peine plus chaudes que le zéro absolu – la tempé­­ra­­ture à laquelle les atomes deviennent immo­­biles. La nais­­sance d’une planète a lieu dans des condi­­tions simi­­laires, un essai­­mage de frag­­ments de pous­­sières et de gaz qui s’agrègent au sein des volutes tour­­billon­­nantes qui pivotent autour des étoiles nais­­santes. Dans les années 1960, les astro­­nomes qui ont tenté de péné­­trer cet « univers froid » se sont rapi­­de­­ment rendus compte de la diffi­­culté à employer des antennes basées au sol pour détec­­ter les longueurs d’ondes dans les sections milli­­mé­­triques et submil­­li­­mé­­triques, plus longues encore que l’in­­fra­­rouge. Leur premier souci rési­­dait dans le fait de devoir gérer une gigan­­tesque quan­­tité d’in­­ter­­fé­­rences. Contrai­­re­­ment à la lumière visible, qui circule dans l’at­­mo­­sphère de la planète sans trop d’in­­ter­­fé­­rences, les ondes milli­­mé­­triques et submil­­li­­mé­­triques sont absor­­bées et défor­­mées par la vapeur d’eau, qui émet des radia­­tions dans le même champ du spectre, ajou­­tant un para­­si­­tage terrestre aux ondes prove­­nant des cieux. Les ondes milli­­mé­­triques et submil­­li­­mé­­triques portent égale­­ment beau­­coup moins d’éner­­gie que la lumière visible, produi­­sant un signal faible, même pour une antenne para­­bo­­lique dotée d’une grande surface de détec­­tion.

Des groupes venant d’Eu­­rope, du Japon et des États-Unis ont alors convergé vers le désert d’Ata­­cama.

La solu­­tion trou­­vée par les scien­­ti­­fiques était de déployer plusieurs antennes sur un même site où l’air est sec, en combi­­nant leurs signaux afin qu’elles fonc­­tionnent ensemble tel un seul et unique téles­­cope. À partir des années 1980, plusieurs réseaux d’an­­tennes étaient opéra­­tion­­nels au Japon, en France, ainsi qu’aux États-Unis, à Hawaï et en Cali­­for­­nie. Les avan­­cées tech­­no­­lo­­giques ont rapi­­de­­ment rendu possible l’édi­­fi­­ca­­tion de réseaux d’an­­tennes plus impor­­tants, toutes armées de lentilles énormes et béné­­fi­­ciant d’un pouvoir de réso­­lu­­tion gran­­de­­ment augmenté. Cela à condi­­tion qu’un site puisse être trouvé, suffi­­sam­­ment élevé et aussi plat que possible, afin d’ac­­croître la distance entre chaque antenne de plusieurs kilo­­mètres. Avec des para­­boles portables, la distance entre chacune d’elles pour­­rait être ajus­­tée, afin de chan­­ger la sensi­­bi­­lité du téles­­cope et ainsi révé­­ler davan­­tage de détails. Éloi­­gnées les unes des autres, elles pour­­raient zoomer sur des zones parti­­cu­­lières – sur un disque circum­s­tel­­laire de débris autour d’une étoile, par exemple. Rappro­­cher les antennes permet­­trait d’ef­­fec­­tuer un zoom arrière, ce qui s’avé­­re­­rait pratique pour obte­­nir des images de zones plus larges, comme une galaxie.

Un rêve commun

En quête du lieu idéal où instal­­ler un tel téles­­cope, des groupes venant d’Eu­­rope, du Japon et des États-Unis ont alors convergé vers le désert d’Ata­­cama. Hernán Quin­­tana, qui avait étudié de près les cartes mili­­taires du désert pendant des semaines avant le lance­­ment de l’ex­­pé­­di­­tion au prin­­temps 1994, suspec­­tait que seul le plateau juché sur les hauteurs de San Pedro de Atacama satis­­fe­­rait leurs besoins. Mais ce dernier n’était pas facile d’ac­­cès.

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Les antennes sont minus­­cules face aux montagnes
Vue du plateau de Chaj­­nan­­tor
Crédits : ESO/NAOJ/NRAO

« Le voyage était long et fasti­­dieux, les pneus s’en­­li­­saient à longueur de temps dans le sable », se souvient Riccardo Giova­­nelli de l’uni­­ver­­sité de Cornell. Avec Angel Otárola de l’Ob­­ser­­va­­toire Euro­­péen Austral (ESO), ainsi que Paul Vanden Bout et Robert Brown de l’Ob­­ser­­va­­toire Natio­­nal de Radioas­­tro­­no­­mie (NRAO), ils formaient l’équipe accom­­pa­­gnant Quin­­tana. À mi-parcours sur la route partant de San Pedro, le camion de Vanden Bout et Otárola est tombé en panne. Les autres sont parve­­nus à atteindre le sommet du col de Jama. « Le ciel était magni­­fique, du bleu le plus profond qu’on puisse imagi­­ner », se souvient Giova­­nelli. Un des astro­­nomes avait apporté avec lui un instru­­ment pour mesu­­rer les vapeurs d’eau. La mesure de vapeur dans l’air donna un volume bas, le plus bas que le groupe ait observé jusque là. « Il n’y avait aucun doute pour nous tous que nous allions trou­­ver le bon endroit à proxi­­mité », dit Giova­­nelli. Peu de temps après, lors d’un deuxième repé­­rage, Brown a trouvé le site adéquat, un plateau large et étendu, au pied du Cerro Chaj­­nan­­tor, un pic tout proche. Il est rapi­­de­­ment apparu évident aux trois enti­­tés inter­­­na­­tio­­nales qu’en joignant leurs forces, elles pour­­raient bâtir un réseau bien plus puis­­sant que chacune n’en aurait la possi­­bi­­lité de son côté. En 1999, la Fonda­­tion Natio­­nale pour la Science (NSF) et ESO ont signé un accord de colla­­bo­­ra­­tion. Ils se sont mis d’ac­­cord sur le fait de four­­nir trente-deux antennes par entité, chacune mesu­­rant douze mètres de diamètre. Les Japo­­nais ont accepté de four­­nir seize antennes supplé­­men­­taires pour un réseau de complé­­ment.

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Atacama Large Milli­­me­­ter/submil­­li­­me­­ter Array (ALMA)
Pano­­rama de l’ob­­ser­­va­­toire
Crédits : ESO/S. Brunier

C’est ainsi qu’a débuté un effort de presque deux décen­­nies pour trans­­for­­mer un des sites les plus recu­­lés du monde en un obser­­va­­toire moderne débor­­dant d’ac­­ti­­vité. Les mines terrestres enfouies il y a de cela des décen­­nies par l’ar­­mée chilienne pour dissua­­der les incur­­sions, du nord jusqu’à la Boli­­vie, ont dû être loca­­li­­sées et enle­­vées. En outre, des négo­­cia­­tions diffi­­ciles ont été néces­­saires pour persua­­der une compa­­gnie pétro­­lière de redi­­ri­­ger un pipe­­line qui devait traver­­ser le lieu du site. Des antennes proto­­types ont été repen­­sées après des tests effec­­tués au Nouveau-Mexique. Les coûts ont augmenté. Des disputes ont écla­­tées puis ont été réso­­lues. Le NRAO et l’ESO ne parve­­naient pas à s’en­­tendre sur la concep­­tion d’une antenne unique, en partie car chaque entité voulait soute­­nir ses propres fabri­­cants. Fina­­le­­ment, deux concepts d’an­­tennes ont été rete­­nus, ainsi que deux fabri­­cants, travaillant chacun à la concep­­tion des leurs. Leur nombre a été réduit à vingt-cinq par agence. Tout cela sans comp­­ter la ques­­tion de la petite ville de San Pedro. Elle ne dispo­­sait que de deux lignes de télé­­phone et d’une seule station service. « Nous avons dû créer une petite ville à flanc de montagne au milieu de nulle part », déclare Al Woot­­ten, le respon­­sable scien­­ti­­fique de la section Amérique du Nord du NRAO sur le projet.

Faire-part céleste

La première des antennes, pesant plus de cent tonnes, a accosté au port chilien d’An­­to­­fa­­gasta depuis les USA en avril 2007. Escorté par des convois de voitures de police, un semi-remorque a trans­­porté la para­­bole géante au sommet de la montagne, voyant sa progres­­sion plusieurs fois inter­­­rom­­pue par des trou­­peaux de lamas guidés par des bergers traver­­sant les routes. Des para­­boles ont été livrées régu­­liè­­re­­ment au cours des cinq années qui ont suivi. Faire en sorte qu’elles fonc­­tionnent collec­­ti­­ve­­ment comme un seul et unique téles­­cope aura demandé une incroyable préci­­sion. Il leur faut pour cela pivo­­ter de concert à la demande et se foca­­li­­ser sur la même cible dans le ciel avec moins d’une seconde et demie d’écart.

Fidèle à ses promesses, ALMA aide les cher­­cheurs à comprendre la nais­­sance des planètes.

Pour asso­­cier les signaux de façon cohé­­rente, il a fallu instal­­ler sur-site un énorme super­­or­­di­­na­­teur capable d’ajus­­ter, avec une préci­­sion allant jusqu’à la finesse du cheveu humain, la distance à laquelle les signaux doivent voya­­ger par câble, des antennes jusqu’au centre de trai­­te­­ment des infor­­ma­­tions, tout en compen­­sant les expan­­sions et contrac­­tions du câble dues aux chan­­ge­­ments de tempé­­ra­­ture. Par un beau matin d’avril, une vue pano­­ra­­mique du plateau offre un contraste saisis­­sant entre l’an­­cien et le moderne. Les éten­­dues brunes sont constel­­lées de para­­boles blanches qui semblent minus­­cules, avec un ciel bleu azur sans limite pour toile de fond. De plus près, chacune des antennes de douze mètres de haut surplombe le sol comme un géant immo­­bile, le soleil se réflé­­chis­­sant sur la surface de la para­­bole. Contrô­­lées à distance depuis le camp, elles pivotent avec grâce et à l’unis­­son en pres­­sant un simple bouton, contre­­di­­sant leur impo­­sante stature. Deux trans­­por­­teurs pour­­vus de vingt-huit roues, fabriqués pour l’oc­­ca­­sion et bapti­­sés Otto et Lore, se tiennent prêts à les dépla­­cer vers d’autres endroits du plateau au besoin. Offi­­ciel­­le­­ment inau­­guré en mars 2013, le Vaste Réseau d’An­­tennes (Sub-)Milli­­mé­­triques de l’Ata­­cama, ALMA, a déjà commencé à donner des résul­­tats. L’an­­née précé­­dente, avec seule­­ment seize antennes opéra­­tion­­nelles, les cher­­cheurs menés par le profes­­seur de Caltech, Joaquin Vieira, ont pu grâce à ALMA lever le voile sur vingt-six galaxies distantes parse­­mées d’ex­­plo­­sions d’étoiles. Ils ont été surpris de décou­­vrir que ces galaxies étaient en moyenne à plus de 11,7 milliards d’an­­nées-lumière, ce qui signi­­fie que leur produc­­tion d’étoiles avait déjà eu lieu alors que l’uni­­vers n’avait pas plus de deux milliards d’an­­nées. On pensait jusqu’ici que des nais­­sances d’étoiles aussi fréné­­tiques n’avaient pas eu lieu avant encore au moins un milliard d’an­­nées.

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Les galaxies des Antennes
Image compo­­site prove­­nant d’ALMA et du téles­­cope spatial Hubble
Crédits : ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) + Hubble (NASA/ESA)

Depuis l’inau­­gu­­ra­­tion d’ALMA, on a régu­­liè­­re­­ment fait de telles décou­­vertes. En juillet 2013, les astro­­nomes ont déclaré que les obser­­va­­tions du téles­­cope avaient permis de résoudre un vieux casse-tête : pourquoi les galaxies massives sont-elles si rares dans l’uni­­vers ? Les images à haute-réso­­lu­­tion prises par ALMA de la rela­­ti­­ve­­ment proche galaxie du Sculp­­teur montrent de denses volutes de gaz froids formées dans le centre du disque galac­­tique. Les astro­­nomes en ont conclu que les gaz étaient expul­­sés par les vents prove­­nant des étoiles nouvel­­le­­ment créées, ce qui implique un manque de substance poten­­tielle néces­­saire à la créa­­tion d’autres étoiles, pouvant entra­­ver la crois­­sance future de la galaxie. S’il est confirmé dans d’autres galaxies, ce phéno­­mène pour­­rait résoudre ce vieux mystère. Fidèle à ses promesses, ALMA aide égale­­ment les cher­­cheurs à comprendre la nais­­sance des planètes. L’an­­née dernière, ils ont dévoilé des images prises par ALMA d’un disque de pous­­sières encer­­clant une jeune étoile – une poupon­­nière de planètes. Les images ont révélé ce qui semble être un nid de pous­­sières dans le disque : une région abri­­tée où de petites parti­­cules de pous­­sières peuvent s’agré­­ger pour former petit à petit une masse assez large pouvant donner nais­­sance à une planète. C’était là le premier aperçu que l’on a pu avoir du proces­­sus de créa­­tion d’une planète. Mais ces obser­­va­­tions ne sont qu’un début. Quand toutes les antennes seront enfin connec­­tées, ALMA en révé­­lera bien plus sur les galaxies et les systèmes stel­­laires. D’un plateau aride joux­­tant des abris de bergers, nos yeux pour­­ront s’ou­­vrir sur un univers encore inconnu.

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La nais­­sance des planètes
La jeune étoile HL Tau et ses disques proto­­pla­­né­­taires
Crédits : ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)

Traduit de l’an­­glais par Gwen­­dal Pado­­van d’après l’ar­­ticle « Cosmic Dawn », paru dans Natio­­nal Geogra­­phic. Couver­­ture : Les antennes ALMA, par ESO/C. Malin. Créa­­tion graphique par Ulyces.

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