Status of BICEP Array and Integration of the 220/270 GHz Receiver

L'univers a commencé comme une soupe bouillonnante et chaude d'énergie et de matière, s'étendant rapidement en une fraction de seconde avant de se refroidir pour devenir le vaste cosmos que nous voyons aujourd'hui. Cette expansion, connue sous le nom d'inflation, a laissé derrière elle un faible rayonnement lumineux qui emplit tout l'espace, un vestige appelé fond diffus cosmologique. Bien que cette lumière soit principalement uniforme, elle porte de minuscules ondulations de température et une subtile polarisation, ou alignement, de ses ondes. Les scientifiques pensent que les moments les plus violents de l'univers primitif, spécifiquement l'étirement rapide de l'espace, auraient créé un motif de torsion unique dans cette lumière, connu sous le nom de modes B. Détecter ces motifs spécifiques est l'un des objectifs les plus importants de la cosmologie moderne car ils confirmeraient la théorie de l'inflation et révéleraient l'échelle d'énergie à laquelle l'univers est né. Cependant, trouver ce signal revient à essayer d'entendre un murmure dans un ouragan ; l'univers est rempli d'autres sources de lumière polarisée, telles que la poussière de notre propre galaxie, qui peuvent facilement étouffer ou imiter le faible signal cosmique.

Pour résoudre ce casse-tête, une équipe de chercheurs travaille sur un projet ambitieux appelé BICEP Array, situé au pôle Sud. Cet emplacement offre une vue dégagée et sèche du ciel, essentielle pour observer les signaux les plus ténus. Le projet utilise une série de télescopes spécialisés, ou récepteurs, réglés sur différentes fréquences de lumière. En observant le ciel à plusieurs fréquences, l'équipe peut distinguer le signal cosmique ancien du bruit de premier plan créé par la poussière galactique. L'article détaille l'état actuel de cette expérience, soulignant les progrès réalisés avec deux récepteurs achevés et le travail crucial en cours pour terminer un troisième récepteur, à haute fréquence, conçu spécifiquement pour cartographier et éliminer l'interférence de la poussière.

L'équipe a déjà déployé deux récepteurs entièrement fonctionnels. L'un fonctionne à des fréquences plus basses pour suivre le rayonnement synchrotron, un type de lumière émis par des électrons à haute vitesse, tandis que l'autre fonctionne à une fréquence de 150, ce qui est considéré comme le point idéal pour observer le fond cosmique lui-même. Les données de ces instruments, collectées sur plusieurs années, sont combinées avec des observations antérieures pour créer la carte la plus sensible du ciel à ce jour. Ces cartes montrent les motifs attendus de l'univers primitif avec une clarté croissante. L'instrument à basse fréquence s'est avéré si efficace qu'il fournit désormais de meilleures contraintes sur le premier plan synchrotron que les anciennes sources de données externes ne le pouvaient jamais. Pendant ce temps, le récepteur de 150 GHz, malgré seulement deux ans de temps d'observation, a déjà égalé la profondeur des données recueillies par un réseau de télescopes beaucoup plus ancien, démontant un bond massif dans la rapidité avec laquelle l'équipe peut cartographier le ciel.

La tâche la plus urgente pour l'équipe est de terminer le troisième récepteur, qui est réglé sur des fréquences beaucoup plus élevées de 220 et 270. Cet instrument est la clé pour nettoyer les cartes cosmiques de la poussière galactique, qui représente actuellement une part importante de l'incertitude de leurs mesures. Le récepteur a été déployé en 2024 et est actuellement partiellement terminé, avec sept des douze modules de détecteurs installés. L'équipe prévoit d'installer les cinq modules restants avant la saison d'observation de 2027, un objectif qui est désormais leur priorité absolue. Sans ces données à haute fréquence, ils ne peuvent pas séparer pleinement la poussière du signal cosmique, ce qui est essentiel pour atteindre leur cible de sensibilité ultime.

Au cours de la saison estivale 2025–26, l'équipe a mené des tests initaux sur le récepteur partiellement complété pour voir comment il performait. Ils ont mesuré l'efficacité avec laquelle les détecteurs capturaient la lumière, vérifié les fréquences spécifiques sur lesquelles ils étaient réglés, et cartographié la forme de la vue du télescope. Les résultats pour les modules de 220 GHz étaient généralement satisfaisants, la plupart des détecteurs performant bien au-dessus d'un seuil d'efficacité de vingt pour cent. L'équipe a également confirmé que les détecteurs étaient réglés sur les bonnes fréquences et que la forme de leur vue correspondait aux prédictions théoriques. Cependant, le module unique opérant à 270 GHz présentait une efficacité plus faible que souhaité. L'équipe soupçonne que cela est dû à un problème d'alignement de fabrication qui a depuis été corrigé dans les nouveaux modèles. Ils prévoient de remplacer ce module sous-performant une fois que le reste du récepteur sera rempli, et ils s'attendent à ce que les nouveaux composants soient nettement plus performants.

Le but ultime du BICEP Array est d'atteindre un niveau de précision permettant de mesurer le rapport tenseur-scalaire, un nombre qui décrit la force du signal d'inflation, avec une incertitude d'environ 0,001. Les projections actuelles suggèrent que si l'équipe termine avec succès le récepteur à haute fréquence et combine ses données avec les instruments existants, elle atteindra cet objectif d'ici 2034. Ce calendrier suppose qu'ils puissent éliminer efficacement la contamination par la poussière en utilisant les nouvelles cartes et qu'ils puissent prendre en compte les subtilités du comportement de la poussière à travers différentes fréquences. Les progrès rapportés dans cet article confirment que le matériel fonctionne comme prévu et que la voie à suivre est claire, rapprochant la communauté scientifique un peu plus de la compréhension des tout premiers instants de notre univers.