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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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