Nouvel instrument pour étudier l'univers primordial

Le Spectromètre de l'Époque de Réionisation, ou EoR-Spec, est un nouvel instrument qui va nous aider à étudier l'univers primordial. Il se concentre sur la période où les premières étoiles et galaxies se sont formées, connue sous le nom d'Époque de Réionisation (EoR). Cette période a duré d'un décalage vers le rouge d'environ 3,5 à 8, soit à peu près quand l'univers avait juste quelques centaines de millions d'années. L'EoR-Spec vise à comprendre comment ces premiers objets ont influencé l'évolution de l'univers en mesurant la lumière émise par le carbone ionisé, spécifiquement la ligne [CII] à 158 microns.

Cette ligne d'émission est essentielle parce qu'elle sert de super marqueur pour la formation des étoiles. Quand des étoiles chauffent le gaz neutre environnant, ça produit de la lumière [CII] que les chercheurs peuvent détecter. L'EoR-Spec sera attaché à la Prime-Cam, un récepteur avancé pour le télescope Fred Young Submillimeter, qui est en cours de construction dans le désert d'Atacama, au Chili. Le télescope aura une grande ouverture de 6 mètres et aidera les scientifiques à rassembler plus de données sur cette époque ancienne.

#Caractéristiques de l'instrument

L'EoR-Spec est conçu avec environ 6 500 Détecteurs à Inductance Kinetique Microwaves (MKIDs). Ces détecteurs mesurent la lumière pendant qu'un système optique spécial aide à focaliser les signaux entrants. Le système optique utilise quatre lentilles pour capter efficacement la lumière, et il a un appareil appelé Interféromètre Fabry-Perot (FPI) qui aide à trier la lumière par couleur, ou longueur d'onde. Le FPI pourra se concentrer sur une gamme de longueurs d'onde de 210 à 420 GHz, qui inclut la ligne d'émission clé importante pour étudier l'univers primitif.

Cet instrument observera des zones spécifiques dans le ciel connues sous le nom de champs E-COSMOS et E-CDFS pendant une longue période, totalisant environ 4 000 heures sur cinq ans. L'objectif ultime est de rassembler suffisamment de données pour fournir une image plus claire de ce qui se passait pendant l'EoR.

#Importance de l'Époque de Réionisation

La formation des premières étoiles et galaxies a entraîné des changements significatifs dans l'univers. Avant cette époque, l'univers était principalement rempli d'hydrogène neutre. Avec la formation des étoiles, elles ont émis une forte radiation qui a progressivement ionisé cet hydrogène, créant un environnement plus complexe. Les recherches ont montré que ce changement n'était pas uniforme ; il s'est produit par patches et était lié à l'endroit où les étoiles se formaient.

Comprendre l'EoR est crucial pour les astronomes. Ça leur permet d'apprendre sur l'expansion de l'univers et donne des aperçus sur la nature de la matière noire. En analysant la fraction d'ionisation au fil du temps, les scientifiques espèrent rassembler des infos précieuses qui peuvent résoudre des tensions actuelles en cosmologie.

#Cartographie d'Intensité de Ligne (LIM)

Traditionnellement, les astronomes ont eu du mal à sonder de grandes zones de l'univers pour trouver et étudier les premières galaxies à cause de leur lumière faible. La nouvelle approche appelée Cartographie d'Intensité de Ligne (LIM) offre une solution. Plutôt que de regarder des galaxies individuelles, le LIM mesure la lumière combinée de plusieurs galaxies à la fois. Ça permet aux scientifiques d'établir des cartes en trois dimensions de grands volumes cosmiques efficacement.

Ces dernières années, le LIM a gagné en popularité grâce à divers projets comme CHIME et TIME. Ces expériences ont montré des promesses pour comprendre le cosmos de manière plus large.

#Mécanique de l'EoR-Spec

L'EoR-Spec est construit avec trois grands réseaux de détecteurs, divisés en deux bandes de fréquences. Les deux réseaux se concentrent sur des fréquences plus basses où on s'attend à trouver des signaux plus brillants, tandis que le troisième réseau examine des fréquences plus élevées. Tous ces détecteurs sont conçus pour travailler ensemble, utilisant une corne en aluminium spéciale qui collecte et dirige les signaux entrants vers les MKIDs.

Une des fonctionnalités excitantes de l'EoR-Spec est son FPI avancé, conçu pour filtrer et mesurer les signaux entrants en fonction de leur longueur d'onde. Ça permettra une meilleure précision pour déterminer les caractéristiques de la lumière émise durant l'EoR.

#Conception Mécanique et Optique

Le module de l'instrument EoR-Spec a subi plusieurs itérations de conception pour optimiser sa performance. La conception mécanique utilise des matériaux capables de résister à de basses températures, garantissant que les détecteurs fonctionnent efficacement. En plaçant les composants critiques de manière soigneusement arrangée, les chercheurs ont maximisé la collecte de lumière tout en minimisant la chaleur indésirable.

La caméra utilise des lentilles asphériques au lieu de lentilles traditionnelles pour améliorer les performances optiques. Ces lentilles sont moins chères à produire et ne nécessitent pas d'alignement précis. En fin de compte, ce choix de conception facilite l'assemblage et l'exploitation.

Pour réduire encore plus la lumière parasite, qui pourrait interférer avec les lectures, des mesures supplémentaires ont été mises en place. Les zones autour du FPI sont couvertes d'absorbeurs pour capter les signaux indésirables. Cette attention aux détails est nécessaire pour garantir l'exactitude de l'instrument.

#Progrès et Étapes Futures

Pour l'instant, le premier réseau de détecteurs à basse fréquence est en cours de fabrication, avec des plans pour d'autres réseaux dans le futur. Les premiers tests ont montré des résultats prometteurs, avec un rendement de 85 % dans la détection des signaux. D'autres tests et calibrations continueront d'améliorer ce rendement à mesure que le projet progresse.

La conception et la construction de l'EoR-Spec sont soutenues par diverses institutions et organismes de financement, reflétant la collaboration entre des organisations engagées à faire avancer notre compréhension du cosmos.

En conclusion, l'EoR-Spec est un instrument sophistiqué qui permettra aux astronomes de cartographier efficacement la lumière faible de l'univers primitif. En employant des technologies innovantes comme la Cartographie d'Intensité de Ligne et des optiques de pointe, cet instrument fournira des aperçus précieux sur l'Époque de Réionisation, aidant à répondre à certaines des plus grandes questions en cosmologie aujourd'hui. Les premières observations de lumière du télescope Fred Young Submillimeter sont prévues pour 2026, marquant une étape excitante pour ce projet révolutionnaire. Grâce à des recherches dédiées et à la collaboration, l'EoR-Spec vise à éclairer notre compréhension de l'histoire de l'univers et de son évolution continue.