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D'ambitieux télescopes s'élèvent dans l'air raréfié du plateau tibétain

par Dennis Normile, pour ScienceMag.org, le 25 avril 2019 - traduit et réactualisé par Elisabeth Martens, le 18 mars 2021

Bien que gênant pour les humains, la rareté de l'oxygène dans l'air tibétain est exactement ce qui convient pour observer les photons qui s'écrasent sur Terre à partir d'objets non identifiés circulant dans l'univers. Le haut plateau tibétain pourrait un jour rivaliser avec le désert chilien d'Atacama, également haut et sec, et foyer d'observation spatiale de premier ordre.

 

gravitational wave telescope in Tibet, Daocheng
gravitational wave telescope in Tibet, Daocheng

 

Les astronomes ont depuis longtemps reconnu le potentiel du plateau tibétain avec son altitude moyenne la plus élevée de toutes les régions de la Terre. En 1990, l'IHEP a établi un petit observatoire de rayons cosmiques près de Lhassa à 4300 mètres. Depuis 2010, l'Observatoire Ali du NAOC, situé à 5100 mètres, a accueilli plusieurs petits télescopes. Mais le boom de la construction scientifique s'est accéléré après que les quatre nouveaux observatoires aient obtenu un financement conséquent, ceci dans le cadre du dernier plan quinquennal de la Chine (2016 à 2020) et la décision d'accélérer la recherche fondamentale. Les nouvelles routes et aéroports pour relier le Tibet à la Chine centrale encouragent également les astronomes à se rendre au Tibet pour travailler.

« J'ai vu des gens s'évanouir ici », prévient le physicien He Huihai alors qu'il débarque à l'aéroport de Daocheng Yading, aéroport le plus élevé du monde (4411 mètres). Beaucoup de ses collègues de l'Institut de physique des hautes énergies (IHEP) de Pékin prennent une journée de repos pour s'acclimater à l'altitude. Puis ils reprennent leurs recherches au LHAASO (ou Large High Altitude Air Shower Observatory), un nouvel observatoire ambitieux situé sur la bordure orientale du plateau tibétain. Le LHAASO fut le premier d'une série d'observatoires à s'installer en Région autonome du Tibet. Après 3 ans de construction, le LHAASO a commencé ses observations en avril 2019.

En 2019 aussi, le Centre national des sciences spatiales a construit le radiotélescope solaire Daocheng (DSRT). Il s'est spécialisé dans l'étude des explosions solaires violentes.

Un télescope de polarisation, le "Ali CMB" (ou Ali-CPT) de l'IHEP, a été construit dans l'ouest du plateau tibétain en 2020. Il commencera ses opérations d'essai de sondage des ondes gravitationnelles en 2021.

Par ailleurs, les observatoires astronomiques nationaux de Chine (NAOC) à Pékin ont étudié plusieurs sites sur la frontière nord-ouest du plateau tibétain pour y implanter un grand télescope optique-infrarouge (LOT) de 12 mètres, le plus grand de tous les télescopes existants.

The Ali Observatory in Tibet with a giant 12-meter telescope. (XiaoHua)
The Ali Observatory in Tibet with a giant 12-meter telescope. (XiaoHua)

 

 

Atteindre les étoiles

Sous les auspices de l'Académie chinoise des sciences, quatre observatoires profitent de l'air raréfié et sec du haut plateau tibétain.

 

Nom

Lieu

Élévation (mètres)

Budget

Horaire

Grand observatoire des douches d'air à haute altitude

Daocheng

4410

200 millions de dollars

Installation terminée en 2020

Radiotélescope solaire Daocheng

Daocheng

3800

18 millions de dollars

Les observations commencent en 2022

Télescope de polarisation Ali CMB

Ali

5250

Des dizaines de millions

Achèvement 2020

Grand télescope optique-infrarouge

Muztagh Ata

à déterminer

300 millions de dollars

à déterminer

 

Jusqu'en 2019, le plus grand télescope optique du pays était une installation de 4 mètres de diamètre situé près de Pékin, mais il n'a pas répondu aux attentes. Le LOT, en revanche, serait l'un des télescopes les plus puissants de la planète. Un différend sur sa conception a retardé sa construction, mais une fois que le NAOC s'installe sur un site, il espère aller de l'avant, a déclaré le vice-président du NAOC, Xue Suijian. Un tel instrument permettrait aux astronomes chinois de se joindre à la chasse aux exoplanètes, d'étudier l'évolution des galaxies et de surveiller les homologues optiques des ondes gravitationnelles, dit-il.

Contrairement à ce géant polyvalent, le DSRT a un objectif singulier: étudier les éruptions solaires et les éjections de masse coronale, des explosions qui projettent des vagues de particules chargées vers la Terre. Pour capturer les ondes radio émises lors de ces éruptions, les antennes radio paraboliques 401 de 4,5 mètres du DSRT sont espacées dans un cercle d'un kilomètre de large - "le meilleur arrangement pour imager le soleil", explique Yan Jingye, ingénieur en chef du projet.

En voyageant à la vitesse de la lumière, les ondes radio dépassent les particules, ce qui signifie que le DSRT pourrait aider à prévoir les dégâts que les explosions peuvent causer lorsqu'elles s'écrasent sur le champ magnétique terrestre, 2 à 3 jours plus tard. Yan dit que le but ultime est "l'analyse en temps réel et la prévision en temps réel" - ce qui pourrait indiquer aux opérateurs d'engins spatiaux à quel moment arrêter l'électronique, jusqu'à ce qu'une tempête passe.

Ali-CPT est l'observatoire situé le plus haut. Il est perché à 5250 mètres échappant ainsi à la vapeur d'eau atmosphérique qui peut bloquer les micro-ondes du fond cosmique (CMB), une rémanence du big bang. Son antenne canalisera les photons CMB vers des milliers de capteurs pour rechercher un motif révélateur dans la polarisation de la lumière. Ce modèle serait la preuve de l'existence d'ondes gravitationnelles générées par le big-bang. Bien que des équipes internationales recherchent déjà un tel signal dans l'hémisphère sud, Ali-CPT serait le premier observatoire de ce type dans l'hémipshère nord. Les ondes gravitationnelles sont une nouvelle branche de l'astronomie qui envisage d'utiliser les ondes gravitationnelles, càd de minuscules aberrations dans le tissu de l'espace et du temps, prédites pour la première fois par la célèbre théorie de la relativité générale d'Einstein.

Le télescope à ondes gravitationnelles a pour but de détecter les échos les plus ténus qui se répercutent dans le cosmos. Il permet aussi d'étudier les conditions qui règnaient immédiatement après le Big Bang, les principes de fonctionnement des étoiles à neutrons, des trous noirs, des supernovas, etc..

LHAASO se joindra à une recherche internationale sur les photons les plus énergétiques de l'univers: des rayons gamma qui, dans de rares cas, peuvent dépasser l'énergie des accélérateurs de particules les plus puissants de la Terre. Lorsque les rayons gamma frappent l'atmosphère, ils créent une cascade de particules secondaires se propageant dans un cône jusqu'à ce qu'elles touchent le sol. Les photons d'énergie plus élevée créent plus de particules secondaires, qui se répandent sur une empreinte plus large.

Pour capturer les particules des photons à plus faible énergie, LHAASO utilisera trois piscines d'eau de 5 mètres de profondeur couvrant une superficie supérieure à 14 terrains de football américains. Lorsque les particules heurteront l'eau, elles déclencheront de légers éclairs de lumière bleue Tchérenkov repérés par des détecteurs au fond des piscines. Des milliers de détecteurs moins chers répartis sur le site de 1,3 km surveilleront les rayons gamma d'énergie plus élevée.

Contrairement aux rayons cosmiques, les trajets des rayons gamma ne sont pas affectés par les champs magnétiques, ce qui permet de les retracer jusqu'à leurs sources éloignées. Cao Zhen, scientifique en chef de LHAASO, dit que la taille de l'installation lui permet de capturer environ 10 des rayons gamma les plus énergétiques par an, ce qui pourrait aider à déterminer d'où ils viennent - peut-être des supernovae, des étoiles à neutrons ou des trous noirs - et comment ils sont générés. « Cela a été un mystère pendant 100 ans », dit Cao.

« Avec ces nouvelles données, LHAASO ouvre des perspectives très intéressantes », déclare Peter Mészáros, astrophysicien théoricien à la Pennsylvania State University du State College. LHAASO devrait également détecter les photons des sursauts gamma (GRB), des explosions brillantes qui apparaissent de nulle part et s'estompent en quelques jours. On pense que les faisceaux de rayonnement des projecteurs sortant de certaines supernovae ou fusions d'étoiles à neutrons provoquent ces sursauts, mais le mécanisme précis reste un mystère. « Connaître l'énergie maximale des photons gamma d'un GRB [pourrait fournir] des indices importants », dit Mészáros.

En créant des infrastructures et un savoir-faire astronomique, les observatoires du Tibet pourraient ouvrir la voie à des successeurs. Les gouvernements locaux de Lhassa et d'Ali s'emploient à préserver les zones de silence radio et à minimiser la pollution lumineuse dans l'espoir d'attirer de futurs projets. Les installations elles-mêmes montreront si l'air raréfié du Tibet est à la hauteur de sa promesse astronomique.

URL de l'article en anglais: https://www.sciencemag.org/news/2019/04/china-s-ambitious-telescopes-rise-thin-air-tibetan-plateau