Emplacement

     Le télescope CHIME est situé à l' Observatoire fédéral de radioastrophysique (DRAO) , une installation nationale d'astronomie gérée par le Conseil national de recherches du Canada.

     DRAO fournit une infrastructure scientifique et technique comprenant des laboratoires de développement d'ingénierie, des ateliers de fabrication, un réseau informatique, un accès Internet, des espaces de bureau et de l'énergie électrique. Les sites municipaux, provinciaux et fédéraux protègent le site de la DRAO contre les brouillages radio-fréquences causés par l'homme.

Instrument

     CHIME est un nouveau radiotélescope sans pièces mobiles. Conçu à l'origine pour cartographier l'élément le plus abondant de l'univers - l'hydrogène - sur une bonne fraction de l'univers observable, ce télescope inhabituel est optimisé pour offrir une "vitesse de cartographie" élevée, ce qui nécessite un champ de vision instantané important (environ 200 degrés carrés). ) et les fréquences couvertes (400-800 MHz).

     Les signaux numérisés recueillis par CHIME sont traités pour former une carte tridimensionnelle de la densité de l’hydrogène, qui sera utilisée pour mesurer l’historique de l’expansion de l’univers. Ces signaux peuvent être combinés pour une émission radio rapide et transitoire, faisant de CHIME un télescope unique pour la découverte de nouveaux «Fast Radio Bursts» et la surveillance quotidienne de nombreux pulsars.

Le télescope

CHIME se compose de quatre réflecteurs cylindriques adjacents de 20 x 100 m, orientés nord-sud. L'axe focal de chaque cylindre est bordé de 256 antennes à double polarisation, chacune recevant le rayonnement d'une large bande de ciel s'étendant presque de l'horizon nord à l'horizon sud. Cela donne à CHIME son champ de vision énorme.

Les antennes de CHIME sont conçues sur mesure pour offrir une bonne sensibilité de 400 à 800 MHz, dans les deux polarisations linéaires. Cela confère à CHIME sa large couverture en fréquences. Les signaux des antennes sont amplifiés en deux étapes, à l'aide d'amplificateurs à faible bruit développés par le secteur de la téléphonie mobile. Cette nouvelle application de la technologie grand public rend CHIME abordable. Les 2048 signaux provenant de ces entrées (256 antennes x 2 polarisations x 4 cylindres) sont transmis au F-Engine pour la phase initiale du traitement numérique. Super intéressant, hein, mon cousin ?

F-Engine

Le F-Engine à base de FPGA est logé dans deux conteneurs d'expédition spécialement blindés de 20 pieds situés entre les cylindres. Le système numérise chaque entrée de signal analogique 800 millions de fois par seconde et convertit chaque microseconde de données (2048 échantillons) en un spectre de fréquence à 1024 éléments compris entre 400 et 800 MHz, avec une résolution de fréquence de 0,39 MHz. Il organise ensuite les données par bac de fréquence et les envoie par fibre optique à X-Engine pour une corrélation spatiale. Le débit de données d'entrée traité par le F-Engine est de 13 terabits / s !

X-Engine

Le moteur X-Engine basé sur le processeur graphique est logé dans deux conteneurs d’expédition spécialement blindés de 20 pieds situés juste à l’est des cylindres. Chaque conteneur contient 128 nœuds de calcul hébergés dans 15 racks de la taille d’un réfrigérateur. Chaque nœud est responsable du traitement de 4 des 1024 voies de fréquence en collectant sa part de signaux numérisés provenant du F-Engine et en formant le produit de chaque entrée de télescope avec toutes les autres entrées, chaque milliseconde. Ces «matrices de corrélation» sont moyennées sur quelques secondes et écrites sur disque pour un traitement ultérieur sur des cartes du ciel. Le système complet nécessite 250 kilowatts d’énergie pour fonctionner.

Détecteur rapide de rafale radio

     Pour rechercher des FRB, CHIME scanne en permanence 1024 points ou «faisceaux» distincts dans le ciel 24/7. Chaque faisceau est échantillonné à 16 000 fréquences différentes et à une fréquence de 1 000 fois par seconde, ce qui correspond à 130 milliards de bits de données par seconde à filtrer en temps réel. Les données sont regroupées dans le X-engine (voir ci-dessus) et envoyées via un réseau à grande vitesse au moteur de recherche principal de FRB, qui est logé dans son propre conteneur d'expédition de 20 mètres sous le télescope CHIME. Le backend de recherche de FRB est composé de 128 noeuds de calcul avec plus de 2500 cœurs de processeur et 32 ​​000 Go de RAM. Chaque nœud de calcul cherche huit faisceaux individuels pour les FRB.

     Les FRB candidats passent ensuite à une seconde étape de traitement qui combine les informations provenant de tous les 1024 faisceaux afin de déterminer l'emplacement, la distance et les caractéristiques de la rafale. Une fois qu'un événement FRB a été détecté, une alerte automatique est envoyée, quelques secondes après l'arrivée de l'explosion, à l'équipe CHIME et à la communauté astrophysique au sens large, ce qui permet un suivi rapide de l'explosion.

Instrument de surveillance pulsar

     CHIME a la sensibilité pour surveiller pratiquement tous les pulsars connus dans le ciel nord. L'instrument de surveillance pulsar reçoit dix faisceaux de suivi du ciel produits par le X-engine de CHIME. CHIME échantillonne ensuite chacun des dix faisceaux de suivi du ciel à une résolution de 6,4 milliards de bits par seconde. Les signaux sont envoyés du X-engine au moniteur de rythme pulsar via un réseau à grande vitesse.

Le moniteur de synchronisation traite les signaux en temps réel sur dix nœuds de calcul dédiés. Chaque nœud consiste en un processeur Intel de haute puissance qui assemble les données entrantes avant de les transmettre à un GPU NVIDIA TitanX pour une analyse de synchronisation. Les résultats de l'analyse temporelle sont stockés sur un serveur multi-disques local avant d'être expédiés à Calcul Canada. La sortie de données du moniteur de pulsation est d’environ 500 000 gigaoctets par an. La cadence élevée de ces observations permet d’examiner les propriétés des étoiles à neutrons et du gaz ionisé dans le milieu interstellaire, de vérifier les prévisions de la relativité générale et de rechercher les ondes gravitationnelles.

Cosmologie

Depuis Edwin Hubble, on sait que l’Univers est en expansion. Plus récemment, des observations ont montré que cette expansion s'accélère. La raison de cette accélération est inconnue, mais il a été suggéré qu'une "énergie sombre" est à l'origine de l'augmentation du taux d'expansion. L'origine et la physique de cette énergie sombre sont actuellement inconnues. Une façon de sonder la nature de l'énergie sombre consiste à étudier en détail l'expansion elle-même.

CHIME cartographie l’histoire du taux d’expansion de l’Univers en observant l’hydrogène gazeux dans des galaxies lointaines très fortement affectées par l’énergie sombre. L'expérience permet ainsi de mesurer la relique des oscillations acoustiques de baryons (BAO), des coquilles sphériques de surdensité de matière dans lesquelles les galaxies et les gaz ont plus de chances d'être trouvés aujourd'hui. Le rayon de ces coquilles a été établi par les conditions prévalant dans l'univers primitif (jusqu'à environ 400 000 ans après le Big Bang, pour plus de détails sur le Big Bang clique ici, mais attention, tu vas quitter cette page) et est en principe toujours détectable dans la distribution à distance de gaz hydrogène. Cela signifie que, depuis 13 milliards d'années, cette échelle de distance caractéristique a uniquement évolué en raison de l'expansion de l'Univers et constitue donc une règle standard permettant de mesurer le taux d'expansion.

L'échelle BAO a été mesurée avant d'utiliser des levés de galaxies pour cartographier la distribution de la matière. C'est un processus long et difficile qui nécessite la résolution de chaque galaxie et dont la plage de décalage vers le rouge est limitée. CHIME cartographie la distribution de la matière en utilisant l'émission radioélectrique d'hydrogène de 21 cm d'hydrogène intergalactique à une résolution très inférieure à celle des galaxies individuelles, mais suffisamment élevée pour pouvoir mesurer l'échelle BAO. Cette technique, connue sous le nom de cartographie d'intensité de l'hydrogène (IH), est beaucoup plus rapide et permettra d'obtenir un volume d'enquête beaucoup plus important que jamais. Cela évite de s’en remettre à la physique complexe de la formation des galaxies, car les galaxies ne sont ni résolues ni comptées, et convient parfaitement à la mesure de la structure à grande échelle physique.

Rafales radio rapides (FRB)

Les rafales radio rapides (FRB) sont de brèves vagues (quelques millisecondes) d'ondes radio venant bien au-delà de notre galaxie de la Voie lactée. Le phénomène a été signalé pour la première fois en 2007 et à la mi-2017, environ deux douzaines ont été signalés. Leur origine est inconnue. Cependant, ils sont omniprésents: les meilleures estimations actuelles suggèrent que ces événements arrivent sur Terre environ mille fois par jour sur tout le ciel. Parmi les FRB détectés, l' un d'entre eux, le FRB 121102, a été observé en train de se répéter et il a été démontré qu'il provenait d'une petite galaxie naine au redshift de 0,2. Que tous les FRB se répètent et / ou se trouvent dans des galaxies naines est encore inconnu.

La grande zone de collecte du télescope CHIME, sa large bande passante et son champ de vision énorme en font un excellent détecteur de FRB. Le taux d'événements FRB CHIME est compris entre 2 et 50 FRB par jour. Un taux d’évènements si élevé est intéressant pour ce nouveau phénomène astrophysique énigmatique. Les FRB découverts par Bright CHIME sont découverts en temps réel et immédiatement signalés à la communauté astrophysique mondiale pour un suivi sur plusieurs longueurs d'onde.

Pulsars

Les pulsars radioélectriques sont des étoiles à neutrons hautement magnétisées et à rotation rapide qui peuvent agir comme des horloges cosmiques extrêmement précises. Découverts en 1967 par Jocelyn Bell, les radio pulsars ressemblent à des phares cosmiques : ils émettent des faisceaux de lumière radioélectrique à partir de leurs pôles magnétiques, qui sont mal alignés avec l'axe de rotation des étoiles à neutrons. Près de 3000 pulsars sont connus aujourd'hui.

La synchronisation des pulsars implique de surveiller un pulsar sur plusieurs semaines, voire plusieurs années, et de comptabiliser chaque impulsion émise. De cette manière, les pulsars sont très utiles pour une grande variété de mesures astrophysiques de précision, allant des tests uniques de théories relativistes de la gravité utilisant des pulsars binaires à champ fort à la détection d’un fond cosmique d’ondes gravitationnelles ayant des périodes de nombreuses années aux fusions de trous noirs supermassifs dans les interactions entre galaxies. Ce dernier est réalisé grâce à un "tableau de synchronisation de pulsars" dans lequel des radiotélescopes du monde entier surveillent régulièrement des dizaines de pulsars à rotation très rapide pendant de nombreuses années.

Le télescope CHIME, avec sa large bande passante et sa grande zone de collecte, est excellent pour la synchronisation en pulsars. Son large champ de vision et ses nouveaux faisceaux pilotés par logiciel permettent aux scientifiques de chronométrer jusqu’à 10 pulsars à tout moment, 24 heures par jour et 7 jours par semaine. Cela permet d'effectuer des études uniques sur des pulsars très variables tels que les annuleurs et les changeurs de mode, ainsi que l'observation quotidienne des sources de Pulsar Timing Array.

Les fréquences radio relativement basses détectées par le télescope CHIME facilitent l'élimination des effets du milieu interstellaire variable sur les impulsions radio, une source de bruit importante connue pour les expériences sur les ondes gravitationnelles. Cela améliore la précision des expériences menées par les projets Pulsar Timing Array tels que NANOGrav et l'International Pulsar Timing Array , dans lesquels plusieurs membres de l'équipe CHIME / Pulsar sont fortement impliqués.

Voilà, ma cousine, tu sais tout, absolument tout, sur ce magnifique et extraordinaire radiotélescope canadien CHIME

Illustration de sursauts radio rapides

détectés dans la voûte céleste