Ce qu’il faut pour construire un observatoire de nouvelle génération

Lorsque vous entendez parler de grands projets scientifiques comme un nouveau télescope géant ou un accélérateur de particules long de plusieurs kilomètres, c'est généralement dans le contexte des grandes découvertes scientifiques qu'ils ont faites. Mais avant que quiconque puisse réaliser une grande avancée scientifique, quelqu’un doit concevoir et construire ces installations massives. Et cela peut signifier rassembler des collaborations internationales, faire fonctionner des lignes électriques et faire face à des conditions météorologiques extrêmes juste pour couler le béton.

Des rats mâchant des lignes de fibre optique aux tentes gonflables pour se protéger de la chaleur de 100 degrés, la science peut être compliquée lorsqu'elle rencontre le monde réel. Nous avons discuté avec des représentants de trois grands projets scientifiques en cours et à venir pour savoir ce qu'il faut faire pour transformer une parcelle stérile de roche et de terre en un observatoire de classe mondiale.

Détecter quelque chose de nouveau

De nombreuses grandes installations constituent des améliorations progressives par rapport à des projets existants, mais parfois la science fait un pas en avant dans une direction entièrement nouvelle. C'est ce qui s'est produit lorsqu'il s'est agi de détecter pour la première fois des ondes gravitationnelles, ce que l'installation LIGO ( Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory ) a réalisé en 2015 et pour laquelle les chercheurs ont reçu le prix Nobel de physique.

L’installation qui a effectué sa détection a commencé comme une version simple appelée Initial LIGO. Il a été conçu pour tester s'il était même possible d'atteindre la sensibilité des détecteurs requise pour détecter les ondes gravitationnelles , et même cette version « de base » a nécessité des décennies de planification et de travail.

Stefan Ballmer, un expert en ondes gravitationnelles à l'Université de Syracuse qui a travaillé à la fois sur les versions initiales et avancées de l'installation, a décrit l'impulsion de l'installation originale : « Nous pensons que nous pouvons atteindre cette incroyable sensibilité, alors dépensons le moins d'argent possible pour prouver que c'est faisable.

Le LIGO initial a été opérationnel de 2002 à 2010 ; pendant ce temps, il n’a détecté aucune onde gravitationnelle. Cela n’a pas nécessairement été un échec, car l’observatoire a atteint la sensibilité requise pour effectuer une détection – ce dont beaucoup de gens n’étaient pas sûrs qu’il soit possible.

« Si les gens doutaient de tout cela, ce n'est pas qu'ils ne croyaient pas à l'existence des ondes gravitationnelles. Ils étaient sceptiques quant à la performance requise pour les voir. Et en ce sens, Initial LIGO a tenu ses promesses », a expliqué Ballmer.

Ainsi, les chercheurs ont pu obtenir un financement pour moderniser l'installation et devenir Advanced LIGO, les travaux ayant débuté en 2008. Grâce à des détecteurs améliorés, l'observatoire a effectué une détection presque immédiatement. « Avec Advanced LIGO, nous avons eu de la chance. Et dès qu’on a vraiment allumé la machine, on a commencé à voir des événements. »

Choisir le bon emplacement

Aujourd’hui, l’un des plus grands problèmes liés aux projets à grande échelle est de savoir où les localiser. Ces types de projets relèvent généralement de grandes coopérations internationales. Les planificateurs doivent donc trouver un site à la fois respectueux de l'environnement et doté d'un gouvernement local disposé à soutenir le projet.

«C'est le grand défi de nos jours : une seule nation ne peut pas vraiment faire les choses qui sont nécessaires à l'échelle des prochaines frontières», a déclaré Joseph McMullin, directeur général adjoint et directeur de programme à la Square Kilometer Array Organization . «Cela nécessite donc ces collaborations internationales.»

Le Square Kilometer Array est un futur observatoire de radioastronomie qui comprend des antennes construites sur deux sites, l'un en Afrique du Sud et l'autre en Australie occidentale. Ces sites ont été choisis principalement en raison de la plus grande préoccupation en matière d'observations radio : les interférences radio. Partout où les humains produisent des ondes radio, comme celles des téléphones portables et des ordinateurs portables, ce rayonnement peut interférer avec les faibles signaux que les astronomes tentent de détecter.

"Le défi de ce que nous faisons est d'examiner des sources très faibles, à travers divers écrans de notre atmosphère, et même à travers le milieu interstellaire ou intergalactique dans certains cas, puis toute la systématique de nos instruments, puis d'essayer de calibrer ces sources. afin que nous puissions conserver ce signal spécifique », a expliqué McMullin. "Des transmissions supplémentaires compliquent ce genre d'effets."

Le problème est que les endroits où les niveaux d’interférences radio sont faibles ont également tendance à être peu peuplés, ce qui rend leur construction difficile. En théorie, un endroit comme l’Antarctique serait l’endroit idéal pour installer un radiotélescope – mais les difficultés de construction et de personnel dans un tel endroit, cela rend cela peu pratique.

Les deux sites choisis pour SKA ont l'avantage de disposer d'infrastructures existantes car ils hébergent déjà des télescopes hébergés par des institutions partenaires. Le regroupement des télescopes dans des emplacements appropriés permet de partager la charge lorsqu'il s'agit d'exigences telles que la construction de routes ou l'exploitation de conduites d'électricité et d'eau.

Et tout cela est nécessaire avant même de pouvoir commencer à construire des structures telles que des logements et des cantines pour les travailleurs nécessaires à la construction. "Nous pensons souvent que nous construisons un observatoire, mais en réalité nous construisons des villes", a déclaré McMullin.

Partager la charge

Lorsque les chercheurs planifiaient le prochain observatoire Vera Rubin , qui est en cours de construction sur une montagne appelée Cerro Pachón au Chili, ils avaient des préoccupations similaires. Ils avaient besoin d’un endroit avec une faible couverture nuageuse et de nombreuses nuits claires pour leurs observations, mais ils voulaient également un endroit doté d’une infrastructure décente.

La montagne qu'ils ont choisie héberge déjà deux autres grands télescopes, Gemini et SOAR, ainsi que d'autres instruments plus petits et plus situés sur la montagne voisine.

"Nous sommes très éloignés, mais pas isolés", a expliqué Jeff Barr, chef de projet télescope et site pour l'observatoire Rubin. « Nous avons des voisins, et les voisins avaient besoin des infrastructures qu’ils avaient déjà construites. »

Cela signifiait que l'électricité et l'eau étaient déjà disponibles à proximité, tout comme les routes essentielles qui permettaient aux équipes et aux équipements de construction de gravir la montagne. Il existait également une infrastructure de communication existante, qui était un système de diffusion basé sur une antenne, mais cela n'aurait pas suffi pour l'énorme quantité de données qui sera produite par Rubin chaque nuit.

Rubin a donc accepté d'installer des lignes de communication en fibre optique, qui desserviraient non seulement son propre observatoire mais aussi les autres observatoires de la montagne. Les observatoires font partie du même consortium, appelé AURA (Association des universités pour la recherche en astronomie), ils partagent donc une infrastructure mutuelle.

"Il y a une sorte d'adhésion à chaque nouvel observatoire", a déclaré Barr. « Cela offre quelque chose qui n'existait pas déjà, vous partagez donc le coût et l'investissement requis pour travailler sur la montagne. »

Jeter les bases

Vous pourriez imaginer qu’il serait simple d’installer une ligne de fibre optique – ce qui n’est pas si différent des entreprises qui proposent de plus en plus de connexions par fibre optique aux foyers résidentiels dans de nombreuses zones urbaines. Cependant, la construction dans un endroit aussi éloigné présente certains défis.

Il y avait des lignes électriques suspendues à des poteaux à travers la vallée, afin que les équipes puissent utiliser ces mêmes poteaux pour suspendre les lignes de fibre optique. Mais après avoir été divisée pour Rubin et les autres observatoires, la ligne doit passer en grande partie sous terre.

« L'un des défis liés au travail sur cette montagne est que dès que vous commencez à creuser, à six pouces de profondeur, la roche est solide. Très solide », a déclaré Barr. "Il faut pratiquement le faire exploser pour faire un trou de n'importe quelle taille."

Cela rend le marteau-piqueur difficile, si souvent que la ligne est posée aussi profondément que possible, puis que la roche est placée dessus. Ce rocher offre une certaine protection, mais la ligne reste vulnérable à la population locale de rongeurs, qui mâchent régulièrement les câbles. « Nous disposons en permanence de services de lutte antiparasitaire, mais même dans ce cas, nous devons quand même intervenir et effectuer des réparations lorsqu'une ligne est rongée. »

Barr a déclaré que les rongeurs affamés font partie intégrante du travail dans un environnement aussi sauvage : « C'est très naturel. À l’exception des zones situées juste autour des observatoires, il ne s’agit que de montagnes.

Les observatoires travaillent selon des lignes directrices visant à minimiser l'impact sur l'environnement, y compris sur les habitats de certaines espèces menacées de cactus et de viscaches, des rongeurs rares (et extrêmement mignons) ressemblant à des lapins qui vivent dans la région.

L'impact patrimonial

Les préoccupations en matière de préservation ne s’appliquent cependant pas uniquement aux questions environnementales. Certains des sites utilisés pour les observatoires revêtent une importance patrimoniale pour l'homme. Le site SKA en Australie occidentale, par exemple, est situé dans le pays de Wajarri. Les Wajarri Yamaji sont les propriétaires traditionnels du terrain sur lequel le télescope est construit, c'est pourquoi l'organisation travaille avec les Wajarri pour garantir la protection du patrimoine culturel, par exemple en effectuant des visites sur place avec des moniteurs du patrimoine culturel Wajarri avant le début des travaux et un suivi continu. lors de la construction.

« Ce sont nos collègues et voisins, et ils font partie intégrante de l'équipe à un niveau fondamental. Beaucoup d’entre eux prennent position avec nous pour construire l’observatoire », a déclaré McMullin. « Ils ont également une solide histoire et un héritage en matière d’observation astronomique. Il s’agit donc de relier ces éléments entre eux à travers les différentes techniques utilisées.

Les impacts à long terme des sites australien et sud-africain, qui ont été conçus pour être éventuellement mis hors service afin que les terres puissent retrouver leur état d'origine, sont également prises en compte.

"Nous prévoyons que ce soit un observatoire d'une durée de 50 ans", a déclaré McMullin. « Alors vous y allez, vous construisez, vous faites vos recherches, puis vous déclassez. Vous remettez cette zone dans le même état dans lequel elle se trouvait.

Construire dans un environnement difficile

Qu'il s'agisse de températures supérieures à 100 degrés Fahrenheit en Australie occidentale ou de vents violents et de risques de tremblement de terre à Cerro Pachón, les endroits où vous souhaiterez peut-être construire un observatoire ne sont pas souvent propices à la construction.

L'accès à la montagne au Chili peut être coupé pendant des semaines en hiver lorsqu'il neige, et même lorsqu'elle est accessible, les conditions font que les travaux prennent plus de temps qu'ailleurs.

"Vous devez comprendre que les choses ne vont pas être aussi rapides que prévu", a déclaré Barr. « C'est un environnement hostile et peu accueillant pour essayer de faire un travail technique. Vous devez en tenir compte dans pratiquement tout ce que vous concevez.

En Australie, les équipes SKA doivent installer plus de 100 000 antennes sur de nombreux sites différents. Elles gèrent donc les températures élevées et les UV élevés en préparant autant que possible l'installation hors site. Lorsqu'ils arriveront sur place, ils utiliseront des tentes gonflables et climatisées spécialement conçues pour les protéger des éléments pendant qu'ils travaillent.

Mais même les endroits moins hostiles présentent leurs défis. Pour la prochaine génération de détecteurs d’ondes gravitationnelles, les concepteurs doivent faire fonctionner des tubes très droits et très plats d’une longueur de 25 miles.

"Il est ironique que la plus grosse pièce du détecteur ne soit absolument rien", a déclaré Ballmer. "C'est un tube à vide de 40 kilomètres de long, et il faut l'installer quelque part."

Pour les détecteurs prévus aux États-Unis, l’idée est de les installer principalement en surface, car il devrait y avoir suffisamment d’espace pour le faire. Cependant, en Europe, où un autre détecteur d'ondes gravitationnelles est également prévu, il n'y a pas suffisamment de terrain en surface pour faire fonctionner un détecteur aérien, il faudra donc probablement l'installer sous terre. Cela augmente les coûts de construction, mais rend également la maintenance beaucoup plus compliquée.

"C'est la simplicité que nous recherchons", a déclaré Ballmer. « C'est déjà assez compliqué de construire ces détecteurs ! Tout ce que nous pouvons garder simple est meilleur.

Le facteur humain

Amener les machines et les équipements sur le chantier est une chose, mais même avec tous les outils du monde, la construction doit encore être réalisée par des personnes. À Rubin, une équipe de plus de 100 ouvriers pourrait être sur place quotidiennement pendant la construction. "Je pense que le fardeau imposé à la main-d'œuvre – le facteur humain – est aussi difficile que toute autre chose", a déclaré Barr. "C'est juste un environnement tellement difficile."

Non seulement les travailleurs doivent faire face au froid, au vent, à la poussière et à l'altitude au sommet d'une montagne, mais il leur faut plusieurs heures pour se rendre sur le site, de sorte que beaucoup d'entre eux passeront douze heures par jour loin du site. chez moi, départ à 6 heures du matin. « Ce sont vraiment les gens qui sont les plus étonnants pour moi », a déclaré Barr. "Ils peuvent travailler là-haut dans cet environnement et accomplir ces choses difficiles."

Ce type de projets prend des décennies pour passer de la conception à la construction et à la mise en service d'un observatoire fonctionnel. Il est donc tout à fait possible que les personnes qui ont initialement poussé à leur construction soient à la retraite au moment où elles commenceront à faire des sciences. Mais cela ne constitue pas nécessairement un problème, dans la mesure où les générations précédentes construisent et transmettent des outils aux nouvelles générations de scientifiques qui débutent leur carrière.

Ce sentiment d'obligation envers l'avenir fait partie de la motivation qui a motivé la construction de nouveaux détecteurs d'ondes gravitationnelles, a déclaré Ballmer, mais il y a aussi une joie à réfléchir à la manière dont une telle chose pourrait être réalisée.

«C'est, dans une certaine mesure, un service rendu à la prochaine génération de physiciens», a déclaré Ballmer. "Mais aussi, lorsque vous vous asseyez et voyez ce qui est possible avec ces machines – que vous pouvez construire quelque chose qui voit chaque trou noir jusqu'aux toutes premières étoiles, que vous pouvez observer des phénomènes à partir d'objets de taille stellaire qui se trouvent dans ces galaxies qui même le télescope Webb a du mal à résoudre ce problème – ne pas essayer de le faire serait presque un crime.