DESHIMA 2.0: A 200-400 GHz Ultra-wideband Integrated Superconducting Spectrometer

Imaginez essayer d'écouter un faible murmure dans une pièce très bruyante et venteuse. C'est essentiellement ce à quoi les astronomes sont confrontés lorsqu'ils tentent de détecter la lumière de galaxies lointaines dans la gamme millimétrique et submillimétrique du spectre. Pour résoudre ce problème, l'équipe derrière le projet DESHIMA a construit une nouvelle « oreille » ultra-sensible pour leur télescope, appelée DESHIMA 2.0.

Voici une décomposition de ce qu'ils ont construit, de son fonctionnement et de ce qu'ils ont découvert, en utilisant des analogies simples.

L'idée principale : Un « prisme » supraconducteur

Considérez un spectromètre traditionnel (un dispositif qui sépare la lumière en couleurs) comme un prisme de verre. Vous projetez de la lumière blanche et elle ressort sous forme d'arc-en-ciel. Cependant, fabriquer un prisme capable de fonctionner pour ces « couleurs » de lumière spécifiques à haute fréquence est incroyablement difficile et nécessite généralement des équipements volumineux et lourds.

DESHIMA 2.0 est différent. Au lieu d'un prisme en verre, il utilise une minuscule puce microélectronique (de la taille d'une boîte d'allumettes) faite de matériaux supraconducteurs.

• L'analogie : Imaginez une immense bibliothèque où chaque livre est d'une couleur de lumière différente. Au lieu d'avoir un bibliothécaire qui les trie manuellement, cette puce possède 339 petites « portes » spécialisées (filtres) intégrées directement dans le sol. Chaque porte ne s'ouvre que pour une couleur spécifique. Derrière chaque porte se trouve un capteur (un détecteur) qui compte combien de « livres » (photons) passent la porte.
• La magie : Parce que la puce est faite de matériaux supraconducteurs (qui conduisent l'électricité avec une résistance nulle lorsqu'ils sont froids), ces portes sont incroyablement sensibles. Elles peuvent détecter les murmures les plus faibles de la lumière provenant des confins de l'univers.

Les améliorations : De 1.0 à 2.0

La première version (DESHIMA 1.0) était un excellent test, mais c'était comme un couloir étroit. Elle ne pouvait écouter qu'une petite tranche du spectre radio (332–377 GHz) et n'était pas très efficace pour capturer la lumière.

DESHIMA 2.0 est une amélioration massive :

1. Un couloir plus large : Il écoute désormais une gamme de fréquences beaucoup plus large (200–400 GHz). C'est comme agrandir la bibliothèque pour inclure quatre fois plus de livres.
2. De meilleures portes : Les « portes » (filtres) sur la puce sont fabriquées avec un nouveau matériau spécial (a-SiC:H) qui laisse passer plus de lumière sans la perdre.
3. Le bouclier anti-vent : Le plus gros problème de l'observation depuis la Terre est l'atmosphère, qui crée du « vent » (des fluctuations) qui perturbe le signal. DESHIMA 2.0 inclut un hacheur de position céleste (sky-position chopper).
   • L'analogie : Imaginez essayer d'entendre un ami parler pendant qu'un ventilateur souffle du bruit vers vous. Le hacheur est une roue à l'esprit rapide avec des fentes qui bascule rapidement votre vue entre votre ami et une portion de ciel vide. En comparant les deux, l'ordinateur peut soustraire le « bruit du ventilateur » (l'atmosphère) pour ne laisser que la voix de votre ami (la galaxie). Cela se produit 10 fois par seconde !

Comment ils l'ont testé

L'équipe ne s'est pas contentée de le construire ; elle l'a soumis à un « test de résistance » rigoureux dans un laboratoire qui imitait parfaitement l'intérieur du télescope ASTE dans le désert d'Atacama (Chili).

• Ils ont installé les miroirs du télescope et le hacheur dans un laboratoire.
• Ils ont refroidi la puce à une température plus froide que l'espace extérieur (120 millikelvin, soit juste une fraction de degré au-dessus du zéro absolu).
• Ils ont projeté un faisceau de lumière semblable à un laser à travers le système pour voir avec quelle efficacité la puce capturait la lumière.

Les résultats : Un succès retentissant

L'article rapporte que DESHIMA 2.0 a fonctionné presque exactement comme espéré, avec des chiffres impressionnants :

• Le taux de rendement (« Yield ») : Sur les 339 petits filtres de la puce, 334 ont fonctionné parfaitement. Cela représente un taux de réussite de plus de 98 %. C'est comme cuire une plaque de 339 biscuits et en avoir 334 qui sortent parfaitement dorés.
• Sensibilité : L'instrument est 4 fois plus sensible que la version précédente. Il peut capter des signaux plus faibles provenant de zones plus profondes de l'espace.
• Efficacité : Environ 8 % de la lumière entrant dans l'instrument est réellement détectée. Bien que cela semble faible, dans ce domaine, c'est une amélioration énorme (4 fois mieux qu'auparavant).
• Performance du hacheur : Le « bouclier anti-vent » (hacheur) a très bien fonctionné. Il a éliminé le bruit atmosphérique sans bloquer la vue ni couper les bords de l'image (pas de « troncature du faisceau »). Il n'a causé qu'une perte minime de données (moins de 20 %), ce qui est considéré comme excellent.
• Précision : L'équipe a également trouvé une nouvelle façon de calibrer les « couleurs » exactes (fréquences) que la puce perçoit, garantissant que lorsqu'ils disent avoir trouvé un gaz spécifique dans une galaxie, ils savent exactement de quel gaz il s'agit.

L'essentiel

DESHIMA 2.0 est un spectromètre à bande ultra-large très performant qui tient sur une seule puce. Il combine la technologie supraconductrice avec une ingénierie astucieuse pour écouter l'univers avec une clarté sans précédent.

L'article conclut que cette technologie est prête pour l'étape suivante : passer à l'échelle supérieure pour créer des instruments dotés de centaines de « pixels » (comme un capteur de caméra au lieu d'un œil unique), ce qui permettra aux astronomes de cartographier l'histoire de la formation des étoiles dans l'univers de manière beaucoup plus rapide et efficace que jamais.