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SKAO – Observatoire Square Kilometre Array : Enregistrement des ondes de l’Univers

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Super télescopes

Astronomy megaprojects that attract the most attention are generally telescopes in the visible spectrum or close to it, as they generate a lot of spectacular pictures. This is, for example, true for the JWST (James Webb Space Telescope), which we analyzed in detail in a previous megaproject article.

Les étoiles et autres objets spatiaux n’émettent cependant pas leurs signaux uniquement sous forme de lumière. Un autre domaine important de l’astronomie est celui des radiotélescopes, qui détectent une autre partie du spectre électromagnétique, les ondes radio.

Source: SKAO

Il reposait autrefois sur des antennes ultra‑larges, comme le désormais disparu observatoire d’Arecibo de 305 m de diamètre, que vous avez peut‑être vu dans des films des années 1990 tels que GoldenEye de James Bond ou Contact.

Une technique différente utilise un grand nombre d’antennes plus petites, et agrège les données totales en une image plus grande numériquement, une méthode appelée interférométrie, ou parfois synthèse d’ouverture.

Dans cette méthode, plus l’espacement entre les antennes est grand, plus la résolution de l’image finale est élevée. Cela permet de construire lentement une image de haute qualité même à partir d’une source très faible, à condition de disposer de suffisamment de temps.

Source: NRAO

C’est la méthode suivie par le SKAO (Square Kilometre Array Observatory), un méga‑projet avec des stations de réception s’étendant sur une distance d’au moins 3 000 km. Une fois opérationnels, le SKA‑Mid et le SKA‑Low seront le plus grand réseau de radiotélescopes sur Terre.

Il devrait révolutionner notre compréhension de l’Univers en fournissant les informations les plus détaillées jamais obtenues dans le spectre des ondes radio.

Astronomie radio

La première fois que des ondes radio ont été détectées depuis le ciel, c’était en 1933, par Karl Jansky aux Bell Telephone Laboratories, les détectant provenant de notre galaxie, la Voie lactée.

Des analyses supplémentaires ont suivi au cours des années suivantes, culminant avec le prix Nobel de physique 1974 décerné à Sir Martin Ryle pour le développement de la synthèse d’ouverture (interférométrie) et à Antony Hewish pour la découverte des pulsars (les pulsars sont des étoiles à neutrons tournant rapidement, émettant des impulsions radio très régulières et très puissantes).

Source: Nobel Prize

Les pulsars, ainsi que d’autres phénomènes astronomiques parmi les plus puissants et violents de l’Univers, comme les trous noirs supermassifs, ne peuvent être observés qu’en radioastronomie. Elle permet également de détecter l’hydrogène neutre, qui est autrement invisible en lumière visible.

La radioastronomie a également l’avantage de fonctionner par tous les temps, n’étant pas gênée par les nuages ou les mauvaises conditions météorologiques. De même, les ondes radio ne sont pas bloquées par la poussière cosmique, ce qui permet à la radioastronomie de « voir » là où d’autres types de télescopes ne le peuvent.

Aujourd’hui, la majeure partie de la radioastronomie est réalisée avec l’interférométrie radio, notamment grâce à des installations comme le Very Large Array (VLA) à 27 antennes du Nouveau‑Mexique, États‑Unis, et le télescope Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) à 66 antennes au Chili (actuellement le plus grand réseau de radiotélescopes au monde).

Historically, radio astronomy has been closely linked to the development of many important modern technologies, including:

  • L’invention du Wi‑Fi.
  • L’imagerie par résonance magnétique (IRM) ;
  • Les systèmes de référence pour la navigation spatiale et le GPS ;
  • La surveillance haute précision des mouvements des plaques tectoniques, importante pour les alertes sismiques.
  • Les amplificateurs à faible bruit utilisés dans le radar, les télécommunications et la télédétection ;

Historique du SKAO

Le SKAO est à l’origine un projet conçu pour tenter d’atteindre, grâce à l’interférométrie, l’équivalent d’un réseau d’un kilomètre carré (un million de mètres carrés, 10 millions de pieds carrés).

Cela est dû au fait que, depuis les années 1980, on savait qu’un tel réseau serait nécessaire pour analyser l’expansion de l’Univers seulement 100 millions d’années après le Big Bang, à travers l’étude des nuages d’hydrogène, ainsi que la formation des premières galaxies un milliard d’années après le Big Bang.

Les membres principaux du projet sont l’Australie, la Chine, l’Italie, les Pays‑Bas, le Portugal, l’Afrique du Sud, la Suisse et le Royaume‑Uni. D’autres pays sont soit en phase d’adhésion, avec un accord de coopération, soit observateurs du projet, l’absence notable des États‑Unis parmi les grands pays.

Source: Wikipedia

Une courte liste de six conceptions potentielles a été choisie en 2005, et l’Organisation SKA a été officiellement créée en 2011.

Source: SKAO

En 2015, un volumineux ouvrage scientifique, « Advancing Astrophysics with the Square Kilometre Array », a été rédigé. Il contient 135 chapitres écrits par 1 213 contributeurs de 31 nationalités.

En 2019, la Convention du SKAO a été signée à Rome, officialisant la contribution et l’engagement de chaque pays dans le projet.

La construction a été autorisée en 2021. À la fin de 2022, des contrats d’une valeur d’environ 500 M€ ont été attribués alors que le SKAO poursuit son ambitieux calendrier de construction.

Les coûts initiaux étaient estimés à 1,8 milliard d’euros en 2014. En 2021, le budget requis était estimé à avoir atteint 3 milliards de dollars.

En 2025, le premier plan de science clé (KSP) et les propositions seront présentés, déterminant exactement ce que le télescope observera en premier selon les projets proposés par les équipes scientifiques du monde entier.

Source: SKAO

À partir de 2027, les premières observations seront réalisées, le radiotélescope sera opérationnel, la vérification que tout fonctionne comme prévu sera effectuée et la capacité augmentera, les premières observations étant prévues pour 2029.

Source: SKAO

Conception du SKAO

Le SKAO sera réparti en deux télescopes différents sur deux continents distincts (l’Afrique du Sud pour le SKA‑Mid et l’Australie pour le SKA‑Low), avec un siège au Royaume‑Uni.

Source: SKAO

Le site britannique est Jodrell Bank, classé au patrimoine mondial de l’UNESCO pour sa contribution au développement de la radioastronomie.

Source: SKAO

Le choix de l’Afrique du Sud et de l’Australie était lié à la moindre interférence radio dans ces régions (moins de masse terrestre et de population), notamment dans les zones désertiques reculées, tout en offrant une bonne visibilité de la Voie lactée.

SKA‑Mid

Visant une échelle sans précédent, le SKAO inclura dans sa partie SKA‑Mid pas moins de 197 antennes entièrement orientables, intégrant dans le nouveau projet le radiotélescope MeerKAT, un système de 64 antennes interconnectées en Afrique du Sud.

Les antennes de 13,5 m de diamètre du radiotélescope MeerKAT existant seront rejointes par les antennes SKA légèrement plus grandes de 15 m de diamètre, toutes intégrées dans un même système.

La distance maximale (ou ligne de base) entre les antennes sera de 150 km, créant une surface de collecte totale de 33 000 m².

Des institutions en Chine, Australie, Canada, France, Allemagne, Italie, Afrique du Sud, Espagne, Royaume‑Uni et Suède ont toutes contribué à la conception du SKA‑Mid, et les différents composants seront fabriqués partout dans le monde avant d’être expédiés en Afrique du Sud pour l’assemblage.

Chaque antenne de 22 m de haut et 15 m de diamètre sera composée de 66 panneaux individuels, chacun devant être ajusté avec une précision de surface moyenne comprise entre 0,010 et 0,030 mm, afin d’assurer une surface de collecte lisse.

Source: SKAO

Les récepteurs de 160 kg transforment les ondes radio de l’analogique au numérique, puis les transmettent via fibre optique pour être traitées.

Le choix d’une antenne de 15 m était un compromis entre le besoin de précision et de haute définition (les antennes plus petites sont meilleures) et la capacité de balayer de larges parties du ciel en une fois (pour lesquelles les antennes plus grandes sont meilleures).

Les contraintes de coût, la faisabilité de la production en série des antennes, la vitesse d’installation, le maintien de faibles coûts d’exploitation, et la capacité à résister à des conditions environnementales extrêmes comme les vents forts ou le stress thermique ont également été prises en compte lors de la conception du système.

Source: SKAO

Dans l’ensemble, le SKA‑Mid offrira, comparé au meilleur radiotélescope actuel, 4 fois la résolution, 5 fois la sensibilité, et pourra sonder le ciel 60 fois plus rapidement.

SKA‑Low

Le SKA‑Low repose sur une conception très différente de celle du SKA‑Mid, plus similaire à d’autres radiotélescopes utilisant de grandes antennes.

Au lieu de cela, le SKA‑Low utilisera 131 072 antennes log‑périodiques réparties sur 512 stations. Les antennes log‑périodiques sont plus petites, d’environ 2 m de haut, conçues pour détecter les ondes radio de basse fréquence.

Source: ABC

La forme « arbre de Noël » de l’antenne est conçue pour détecter chaque signal radio possible dans la gamme de fréquences de 50 MHz à 350 MHz. Les signaux plus longs sont généralement les plus anciens, car ils ont été « étirés » par l’expansion de l’Univers.

Les antennes elles‑mêmes ne bougent pas, mais une technique appelée « formation de faisceau » est utilisée pour les orienter dans la bonne direction, détectant essentiellement d’où provient un signal afin de l’amplifier.

Chaque antenne est reliée à une boîte intelligente, convertissant le signal électrique amplifié en données optiques pour le transfert via fibres optiques vers le Central Processing Facility (CPF).

Dans l’ensemble, l’antenne SKA‑Low crée une surface de collecte étonnante de 419 000 m². Cela signifie que même les signaux les plus faibles peuvent être détectés, combinés et renforcés d’une manière jamais réalisée auparavant.

Source: SKAO

Cela confère également au SKA‑Low une amélioration significative des performances par rapport au meilleur système similaire actuellement en usage, avec 25 % de meilleure résolution, 8 fois la sensibilité, et la capacité de sonder le ciel 135 fois plus rapidement.

Dans la conception des antennes SKA‑Low, la nécessité de les produire en masse a dicté de nombreuses options, comme le fait de les fabriquer toutes sans pièces mobiles.

Objectifs du SKAO

Le SKAO sera déployé en phases successives, au fur et à mesure que les systèmes de radiotélescopes seront construits.

Dans la phase 1, on s’attend à ce qu’il possède la sensibilité nécessaire pour détecter jusqu’à 10 000 pulsars ordinaires et 1 000 pulsars millisecondes (pulsars ultra‑rapides et puissants) dans la Voie lactée. Une fois pleinement déployé, il devrait pouvoir détecter tous les pulsars galactiques émettant leur signal vers la Terre.

Il fournira également la première mesure détaillée de ce que l’on appelle le « Cosmic Dawn », le moment et les conditions où les premières étoiles et galaxies se sont formées, ainsi que la « Ère de réionisation » qui a suivi, plus proche de l’état actuel de l’Univers.

Source: SKAO

Le SKAO pourra également analyser les ondes gravitationnelles, à travers leurs effets sur les signaux radio, en complément du détecteur d’ondes gravitationnelles LIGO.

Les systèmes pourront également former des « sous‑réseaux » variables, permettant des observations et expériences parallèles en mobilisant seulement une partie du télescope d’interférométrie complet.

Source: SKAO

Réalisations technologiques du SKAO

Fabrication & Impact économique

Sur le plan technique, le SKAO est impressionnant par son ampleur et sa précision, notamment grâce à la fabrication extrêmement précise requise pour son antenne, qui doit être reproduite à grande échelle des centaines de fois pour le SKA‑Mid et des centaines de milliers de fois pour le SKA‑Low.

Cela a été réalisé grâce à de nombreux programmes de partenariat avec des entreprises des pays participants, ayant un fort impact sur leurs capacités technologiques ainsi que sur les économies locales, par exemple :

Gestion des données

Un autre impact du SKAO sera dans la gestion des données. Lorsque le signal radio collecté par les antennes est converti en informations numériques, cela créera un flot de données nécessitant un traitement.

En moyenne, 8 téraoctets par seconde de données seront transférés sur plusieurs centaines de kilomètres depuis le télescope SKA‑Low dans le désert de Murchison en Australie vers le centre de traitement à Perth. Pour le SKA‑Mid en Afrique du Sud, le débit de données est encore plus élevé, autour de 20 téraoctets par seconde. Cela représente 1 000 fois plus de données que le radiotélescope ALMA (le plus grand du monde) ne génère actuellement.

Chaque donnée reçue par les antennes individuelles arrive légèrement à des moments différents, il faut donc les aligner grâce à des horloges atomiques ultra‑précises. Cette exigence était si stricte qu’elle a nécessité la conception de nouvelles méthodes de synchronisation des données.

Les données sont ensuite transférées vers 2 supercalculateurs appelés Science Data Processors (SDP). Chacun disposera d’une vitesse de traitement d’environ 135 PFlops (pétaflops), ce qui le plaçait parmi les 3 ordinateurs les plus rapides de la Terre en 2022.

Au total, le projet archivera 700 pétaoctets de données par an, l’équivalent des disques durs de 1,5 million d’ordinateurs portables classiques.

La majeure partie du calcul est alimentée par une centrale solaire et ses batteries associées, avec des générateurs diesel de secours.

Au‑delà de la phase 1 du SKAO

La prochaine étape pour le SKAO

À mesure que de plus en plus d’antennes seront connectées, la capacité du SKAO augmentera, tant en résolution qu’en capacité de balayage totale.

Source: SKAO

À long terme, le SKAO est conçu pour continuer à intégrer davantage de réseaux de radiotélescopes. Cela devrait être réalisé en ajoutant plus d’antennes en Australie, ainsi que de nouveaux réseaux dans d’autres pays africains. Parmi les nouveaux partenaires envisagés figurent de nombreux voisins de l’Afrique du Sud, dont le Botswana, le Ghana, le Kenya, Madagascar, l’île Maurice, le Mozambique, la Namibie et la Zambie.

Pour la phase II du projet, un nouveau volume de l’œuvre « Advancing Astrophysics with the Square Kilometre Array » est en préparation, « Advancing Astrophysics II ».

Autres radiotélescopes

Les États‑Unis construisent le Next Generation Very Large Array (ngVLA), successeur du VLA actuel, qui sera composé d’antennes de 25 m, réparties sur 5 505 miles (8 860 km) entre le territoire continental des États‑Unis, Hawaï, Porto Rico et le Canada.

Source: ngVLA

Un autre projet prévoit que la NASA construise un radiotélescope massif sur la face cachée de la Lune, position qui le protégerait totalement de toute interférence terrestre, nommé instrument LuSEE‑Night (Lunar Surface Electromagnetic Experiment). Au lieu d’un grand disque, ce concept utilisera de longs câbles pour détecter les signaux radio.

Source: Cosmo

Un concept beaucoup plus ambitieux, appelé Lunar Crater Radio Telescope (LCRT), imagine une conception utilisant un cratère lunaire de 3 à 5 km comme disque, avec un câble d’un kilomètre de long servant d’antenne réceptrice.

Source: NASA

Conclusion

Les résultats du SKAO seront beaucoup moins visuels que ceux d’autres télescopes, car ils se concentrent sur les signaux d’ondes radio invisibles et plus complexes produits par certains des objets les plus massifs de l’Univers, comme les étoiles à neutrons et les trous noirs supermassifs au centre des galaxies.

Ces résultats pourraient toutefois être tout aussi, voire plus, transformateurs pour notre compréhension de l’Univers que les données provenant de télescopes comme le JWST. Cela inclut le tout premier instant de l’Univers, ainsi que la façon dont les ondes gravitationnelles façonnent l’Univers tel que nous le connaissons.

C’est également une entreprise industrielle et scientifique massive, mobilisant des milliers des meilleurs esprits du monde. Comme pour de nombreux projets de radioastronomie précédents, les exigences techniques extrêmes du matériel et des logiciels utilisés feront progresser ce qui est possible en matière de détection de données sans fil, de semi‑conducteurs & fabrication de précision, et d’analyse de données.

Ainsi, sans aucun doute, il sera rappelé comme l’un des méga‑projets scientifiques les plus importants et les plus transformateurs du début du XXIe siècle.

Entreprise liée au SKAO

AAC Clyde Space

Alors que de nombreuses entreprises sont impliquées dans le SKAO, pour certaines il s’agit d’un accord beaucoup plus important du fait de la petite taille de l’entreprise et de l’envergure relativement plus grande du projet pour elles.

AAC en fait partie, une société suédoise qui a remporté en 2023 un appel d’offres pour fournir au projet de radiotélescope ses récepteurs clés en radioastronomie.

Le projet vaut 12 M€ et la commande sera livrée au premier trimestre 2027. Chaque récepteur mesure plus d’un mètre de diamètre et pèse 180 kg. Omnisys livrera 80 systèmes de récepteurs complets, fonctionnels et intégrés au projet. Le convertisseur numérique attaché sera fabriqué par Qualcomm (QCOM ).

Source: Chalmers SE

En plus des systèmes de radiotélescopes, l’expertise d’AAC réside dans la production et l’exploitation de petits satellites. L’accent de l’entreprise sur les petits satellites profite de la baisse du coût de lancement en orbite, rendant le lancement de nombreux petits satellites plus rentable, notamment avec la construction de constellations de satellites (dont l’exemple le plus célèbre est Starlink de SpaceX).

AAC possède sa propre constellation de 15 satellites, fournissant des données telles que des images orbitales, le suivi des navires, l’agriculture de précision, des données forestières, etc., à ses clients sans qu’ils aient à exploiter leurs propres satellites.

L’entreprise prévoit d’étendre cette offre « Space Data as a Service » au cours de la prochaine décennie, en ajoutant des données hyperspectrales pour l’agriculture en 2025, ainsi que le VDES (Very High‑Frequency Data Exchange System) pour les communications maritimes (avec le premier satellite lancé en 2023).

Source: AAC

En attendant, l’entreprise remporte des contrats pour la construction de nouveaux satellites, comme l’Organisation européenne pour l’exploitation des satellites météorologiques (EUMETSAT), la communication optique et quantique en temps réel « ESA OPS‑SAT VOLT », le premier satellite écossais UKube‑1, ou le satellite de communications maritimes Ymir‑1.

En tant que fournisseur clé de systèmes satellites pour l’Europe, l’entreprise est bien placée pour profiter des objectifs de la région visant à rester une puissance spatiale pertinente et à développer ses propres constellations de satellites, même si l’ESA accuse un retard dans les lanceurs réutilisables comparé à la Chine, SpaceX ou Rocket Lab (RKLB ) (suivez le lien pour le rapport d’investissement dédié à Rocket Lab).

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Jonathan est un ancien chercheur en biochimie qui a travaillé dans l'analyse génétique et les essais cliniques. Il est maintenant un analyste boursier et écrivain financier avec un focus sur l'innovation, les cycles de marché et la géopolitique dans sa publication The Eurasian Century.