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Une armée de petits robots traquent les galaxies
Pourquoi l’expansion de l’Univers s’accélère-t-elle? Les chercheurs vont tenter de mieux comprendre ce phénomène en cartographiant la distribution des galaxies dans l'Univers. Des astrophysiciens et des roboticiens de l’EPFL participent à l’aventure.
Où va l’Univers? Comment expliquer que les galaxies s’éloignent toujours plus vite les unes des autres, défiant la force de gravité qui devrait au moins ralentir ce mouvement? Pour répondre à cette question, les chercheurs vont cartographier la distribution des galaxies dans l’Univers de manière extrêmement précise. Le projet Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) a pour objectif de relever la position de plus de 30 millions de galaxies – sur les 100 à 200 milliards qui existent probablement. Il est piloté par le Laboratoire Lawrence Berkeley (LBNL, USA). Le but est de mieux comprendre ce qu’est «l’énergie sombre» : un ingrédient que les physiciens ont introduit dans leurs équations, afin de prendre en compte la surprenante accélération de l’expansion de l’Univers.
Parce qu’elles sont particulièrement massives, les galaxies sont les objets parmi les plus lointains que nous puissions observer. Leur lumière est un témoin de l’expansion de l’Univers. Avec le temps et la distance, leur spectre lumineux se décale vers le rouge – un phénomène appelé «redshift». Plus le décalage est important, plus la galaxie est éloignée. Le record est actuellement détenu par EGS-zs8-1. Son redshift indique une distance de 13.1 milliards d’années lumière : elle nous apparaît telle qu’elle était aux débuts de l’Univers.
Des fibres optiques pour recevoir la lumière des galaxies
Pour canaliser la lumière des galaxies, les chercheurs placent de nombreuses fibres optiques dans le plan focal du télescope. Si les fibres sont placées précisément, elles ne captent alors que le signal des galaxies visées. Actuellement, dans le cadre du projet extended-BOSS/SDSS, au télescope Sloan (Nouveau-Mexique), les chercheurs préparent des plaques percées d’un millier de trous pour les fibres, qui sont placées manuellement une à une (voir vidéo). Pour chaque observation, une nouvelle plaque doit être préparée - une technique précise, mais lente et fastidieuse.
Le projet DESI a pour ambition d’accélérer drastiquement la cartographie 3D des galaxies. Pour atteindre ce but, l'idée est de construire une plateforme de 5000 fibres optiques positionnées par de petits robots, couvrant le plan focal du télescope. Ces robots ultra-précis et miniaturisés seront réalisés à l’EPFL par les équipes de l’astrophysicien Jean-Paul Kneib, des roboticiens Mohamed Bouri et Hannes Bleuler, en collaboration avec des collègues de l’Université du Michigan et du LBNL.
Le dispositif permettra de positionner les 5000 fibres optiques en moins d’une minute, et de mesurer le redshift d'autant de galaxies. En une seule nuit, il pourra établir la position d’environ 150'000 objets. De quoi atteindre rapidement l’objectif final de plus de 30 millions de galaxies. Grâce à ce grand volume de données, il sera possible de mesurer précisément la relation distance-redshift dans l’Univers avec une marge d’erreur de quelques dixièmes de pour-cent, contre environ 1 à 2% actuellement.
De la circulation automobile à l’instrumentation astronomique
Laleh Makarem, post-doc au laboratoire de Denis Gillet à l’EPFL, a travaillé sur la programmation des robots. Une véritable gageure. Les têtes de positionnement des 5000 dispositifs doivent couvrir l’ensemble d’une surface d’environ un demi mètre carré. Mais en bougeant, elles peuvent se collisionner, entraînant une rupture des fragiles mécanismes de précision.
Avant de se lancer dans ce projet, la jeune chercheuse travaillait sur la modélisation du trafic automobile urbain. Un domaine de recherche plus proche qu’il n’y paraît de l’instrumentation astronomique. «Les algorithmes que je développais représentaient chaque véhicule de manière indépendante, explique Laleh Makarem. Les véhicules se meuvent comme des entités séparées, qui se calent sur les mouvements des autres et évitent les collisions. C’est exactement le même principe qui fait se mouvoir les 5000 robots.»
Quant à eux, les roboticiens de l’EPFL travaillent sur la conception des dispositifs de positionnement. Equipés d’un moteur miniature et d'un étage de réduction du mouvement du moteur – un peu comme les vitesses d’une bicyclette – ils permettent un placement très précis. Après un premier mouvement un peu approximatif, la tête de positionnement se cale finalement à 5 millièmes de millimètre près, exactement là où se trouve l’émission de la galaxie à observer.
Les robots seront assemblés aux Etats-Unis, à l’Université du Michigan. Le système complet sera déployé dès 2019 au Télescope Mayall en Arizona. Le projet, coordonné par le Lawrence Berkeley National Laboratory, est principalement financé par des fonds américains, notamment du Département US de l’énergie, qui vient de valider la construction du projet. 31 universités partenaires et 18 agences gouvernementales apportent également leur contribution financière et leur expertise technique, dont l’EPFL et le Fonds national Suisse de la recherche.