Millimeter and sub-millimeter characterization of polymers used for infrared filters in high-sensitivity cryogenic microwave telescopes

Au plus profond du silence glacial de l'espace, l'univers murmure des secrets en une lumière que nos yeux ne peuvent voir. Cette lumière, connue sous le nom de fond diffus cosmologique, est la plus ancienne lueur de l'existence, une image rémanente et ténue du Big Bang lui-même. Pour entendre clairement ce murmure, les astronomes construisent des télescopes qui ne sont pas seulement puissants, mais incroyablement froids, refroidis à des températures proches du zéro absolu pour empêcher leur propre chaleur d'étouffer le signal cosmique. Cependant, ces instruments délicats doivent tout de même regarder à travers une fenêtre pour observer le ciel. Cette fenêtre, et les filtres placés devant elle, doivent être faits de matériaux qui laissent passer cette lumière spécifique tout en bloquant la chaleur de la Terre et de l'atmosphère. Pendant des décennies, les scientifiques se sont appuyés sur certains plastiques pour ces fenêtres, supposant qu'ils étaient transparents et inoffensifs pour les détecteurs sensibles à l'intérieur. Mais un doute persistant demeurait : ces matériaux pourraient-ils diffuser de petites quantités de lumière dans des directions inattendues, ajoutant une couche de bruit qui brouille les images les plus nettes de la naissance de l'univers ?

Une équipe de chercheurs de l'Université d'Islande et de l'Université de Stockholm s'est donné pour mission de répondre à cette question en soumettant ces matériaux plastiques courants à un test rigoureux. Ils se sont concentrés sur quatre types de polymères souvent utilisés dans les télescopes à haute sensibilité : le polyéthylène haute densité, utilisé pour les lentilles et les fenêtres ; le polytétrafluoroéthylène, un matériau parfois utilisé pour les filtres ; le nylon, un choix courant pour bloquer l'infrarouge ; et une mousse spécialisée faite de polyéthylène. Les scientifiques voulaient savoir non seulement quelle quantité de lumière ces matériaux laissaient passer, mais aussi ce qui arrivait à la lumière lorsqu'elle les frappait. Plus précisément, ils cherchaient la « diffusion », un phénomène où la lumière rebondit sur de minuscules imperfections ou structures à l'intérieur du matériau et s'échappe selon des angles larges, plutôt que de voyager en ligne droite. Même une infime quantité de cette lumière diffusée peut poser problème, car elle pourrait frapper les parties chaudes du télescope et créer un faux signal qui confond les données.

Pour capturer cette lumière diffusée insaisissable, les chercheurs ont construit une station de test unique qui fonctionne comme un radar de haute technologie. Ils ont utilisé un appareil appelé analyseur de réseau vectoriel, qui envoie des ondes radio dans la gamme millimétrique et submillimétrique, les mêmes fréquences utilisées pour étudier le cosmos. Au lieu d'un opérateur humain tenant un détecteur, ils ont utilisé un bras robotisé sophistiqué pour déplacer la tête du récepteur selon un arc précis, balayant de gauche à droite et de haut en bas. Cela leur a permis de cartographier la lumière qui traversait les feuilles de plastique et de voir si une partie d'entre elle avait été déviée sur les côtés. Ils ont testé les matériaux à des fréquences allant de 90 à 330 gigahertz, couvrant la bande critique où opèrent ces télescopes. Ils ont également utilisé une machine différente pour tester la quantité de lumière absorbée par les matériaux à des fréquences encore plus élevées, jusqu'à 1400 gigahertz, afin d'obtenir un tableau complet de leur comportement.

Les résultats ont brossé un portrait clair des matériaux sûrs et de ceux qui pourraient nécessiter un second examen. Les blocs solides de polyéthylène et les feuilles de polytétrafluoroéthylène ont fonctionné exactement comme espéré. Ils ont laissé passer la lumière avec presque aucune diffusion, agissant comme des fenêtres propres et invisibles pour le télescope. Cependant, les échantillons de nylon ont raconté une histoire différente. Les feuilles de nylon sont arrivées avec de minuscules rainures parallèles sur leur surface, laissées par le processus de fabrication. Ces rainures, d'une profondeur d'environ 10 micromètres, ont agi comme un réseau de diffraction, provoquant une diffusion significative de la lumière sur les côtés. Les chercheurs ont découvert que cette structure de surface était la coupable, prouvant que même des imperfections microscopiques peuvent perturber le flux de lumière.

La découverte la plus surprenante est venue des mousses polymères, qui sont souvent utilisées comme isolation multicouche légère dans les télescopes. Ces mousses sont remplies de minuscules poches d'air, ou cellules, qui mesurent environ 400 micromètres de taille. Lorsque la lumière frappe ces mousses, elle ne passe pas proprement. Au lieu de cela, la lumière interagit avec les grandes cellules internes, provoquant une diffusion dans un motif large et uniforme qui projette une quantité significative de puissance à des angles élevés. Les chercheurs ont calculé que cette lumière diffusée pourrait facilement frapper les parties chaudes du télescope, ajoutant potentiellement une quantité mesurable de bruit aux détecteurs. Cela suggère que, bien que ces mousses soient excellentes pour l'isolation, leur structure interne pourrait être trop grande pour les longueurs d'onde de la lumière que ces télescopes tentent de capturer, les faisant agir davantage comme une lentille brumeuse que comme une fenêtre claire.

L'étude a également mesuré la quantité de lumière absorbée par ces matériaux, ce qui est une autre façon dont ils peuvent dégrader les performances du télescope. Il s'est avéré que les matériaux en nylon sont assez dissipatifs, absorbant une quantité significative du signal, surtout aux fréquences plus élevées. Le polyéthylène et le polytétrafluoroéthylène sont restés très transparents, absorbant très peu. En combinant les données de diffusion avec les mesures d'absorption, l'équipe a fourni une carte détaillée de la façon dont ces matériaux se comportent à travers le spectre. Ils ont constaté que les propriétés optiques des plastiques solides étaient stables et prévisibles, mais que les mousses et le nylon rainuré introduisaient des variables qui ne pouvaient être ignorées.

Ce travail ne déclare pas ces matériaux inutiles, mais il souligne un besoin critique de meilleure caractérisation. Les chercheurs soulignent que pour la prochaine génération de télescopes, qui visent à cartographier l'univers avec une précision sans précédent, chaque source de bruit doit être prise en compte. La lumière diffusée par la mousse et le nylon rainuré représente une source d'erreur cachée qui pourrait être réduite en choisissant différents matériaux ou en lissant les imperfections de surface. L'équipe prévoit d'élargir ses tests pour inclure des matériaux plus complexes, tels que des filtres à mailles métalliques et des revêtements antireflets, afin de s'assurer que chaque composant de la chaîne du télescope est aussi transparent et pur que possible. En comprenant exactement comment ces matériaux interagissent avec la lumière, les scientifiques peuvent construire de meilleurs instruments, garantissant que les faibles murmures de l'univers primitif soient entendus clairement, sans le statique de notre propre équipement.