Reportage en Afrique du Sud : un observatoire à l’échelle d’un continent

Vue panoramique sur l’observatoire radio Meerkat, en Afrique du Sud. © J.-L. Dauvergne
Le rêve des radioastronomes est en train de se concrétiser avec la sortie de terre de Meerkat, au cœur de l’Afrique du Sud. Cet ensemble de 64 radiotélescopes préfigure un projet plus ambitieux encore : le Square Kilometre Array, ou SKA.

L’aube se lève sur la péninsule du Cap, en Afrique du Sud. Dans le salon cosy de la compagnie ExecuJet, cinq ingénieurs et techniciens attendent de s’envoler vers l’observatoire Meerkat, situé à plus de 400 km de là. « Nous allons devoir patienter, la visibilité n’est que de 400 m », prévient Robin Richardson, pilote du Pitatus PC-12.

L’avion d’affaire à neuf places stationne sur le tarmac. Plutôt inhabituel comme moyen de transport pour se rendre au travail le matin ! Meerkat est volontairement isolé. Ce nouvel observatoire radio est en construction dans la zone semi-désertique du Karoo, un environnement préservé des ondes radio parasites. D’ici quelques mois, il sera le plus grand observatoire de ce type dans l’hémisphère Sud. Et ce n’est que la première étape du projet mondial Square Kilometre Array (SKA).

À l’aéroport du Cap, la brume tarde à se dissiper. Certains prolongent leur nuit, d’autres ont le nez sur leur écran ou regardent distraitement la télévision. À 9 h, le ciel se dégage, et le personnel de Meerkat décolle enfin. Pour Anathi Hokwana, tout cela est nouveau : « Je suis opérateur de télescope. Je fais le voyage pour la première fois. » Souriant et jovial, le technicien au visage rond va se former au pilotage des instruments. Pour d’autres comme Kathryn Rosie, c’est la routine. « Je fais l’aller-retour dans la journée pour superviser la construction d’une partie de l’observatoire », explique-t-elle. 

Pour se rendre à Meerkat depuis Le Cap, le moyen le plus simple est de prendre l’avion affrété hebdomadairement.
Sur place, la piste est toute proche des radiotélescopes. © J.-L. Dauvergne

Après avoir survolé les paysages grandioses désert du Karoo pendant une bonne heure, l’avion approche de Meerkat. Il est temps de le faire disparaître des écrans radars : Robin Richardson coupe le transpondeur afin de ne pas parasiter les radiotélescopes. Rapidement, des points blancs apparaissent dans une immense plaine désertique entourée de plateaux. Ce sont les paraboles de Meerkat, de 13,5 m de diamètre. Robin Richardson pose l’avion sur une grande piste vide, à quelques kilomètres des télescopes. Un van nous attend avec la clé sur le contact. La base de vie n’est pas visible d’ici. Elle est volontairement cachée à 5 km de là, derrière un plateau haut de 100 m, qui sert d’obstacle naturel pour bloquer les ondes radio. 

Audrey Dikyale, technicienne à Meerkat.
Audrey Dikyale, technicienne à Meerkat. © J.-L. Dauvergne

 C’est de là qu’est piloté l’observatoire. La salle de commande, sans fenêtre, se trouve dans un bâtiment doté d’un blindage électromagnétique : les murs sont couverts d’une paroi métallique. Pour entrer, il faut passer un sas fait de lourdes portes en métal. Sans attendre, le nouveau technicien Anathi Hokwana découvre les lieux. Derrière l’ordinateur de pilotage, sa collègue Audrey Dikyale ne tarde pas à lui montrer le fonctionnement. Ils ne seront pas trop de deux : « Il y a un opérateur principal pour chaque période de 8 h », explique Audrey Dikyale.

Pour le moment, elle gère tout avec un simple ordinateur portable. En effet, le mur d’écrans en face d’elle ne fonctionne pas encore. « Quand Meerkat sera terminé, en mars 2018, 64 radiotélescopes seront opérationnels », indique l’opératrice. En ce début d’automne austral, déjà 32 antennes observent le ciel. Leurs signaux sont couplés afin de gagner en sensibilité et en résolution ; c’est la technique de l’interférométrie. « Dès maintenant, les instruments sont capables de produire de la science, mais pour le moment nous sommes surtout en phase de test », explique Audrey Dikyale.

Le ciel observé 24 h/24 

Dehors le Soleil cogne, mais la lumière du jour n’a pas d’incidence sur la visibilité des astres dans le domaine radio. Meerkat observe 24 h/24. Dans un grand hangar voisin, des ouvriers s’affairent sans relâche à l’assemblage des radiotélescopes.

« Chaque semaine, un nouvel instrument sort du bâtiment », note Rupert Spann. Pour suivre l’avancement du chantier,  le jeune astronome se rend régulièrement au sommet de la colline qui surplombe les bâtiments de vie. Ce promontoire offre une vue imprenable sur Meerkat.

Certaines paraboles fonctionnent, d’autres sont en cours d’installation, d’autres encore sont en maintenance. Leur disposition globale a la forme d’une galaxie spirale avec plus de radiotélescopes au centre, et d’autres déployés le long de bras spiraux imaginaires. Ce réseau peut être utilisé en combinant des antennes plus ou moins distantes. « Les configurations rapprochées permettent de gagner en sensibilité, pour observer des pulsars, par exemple. D’ailleurs, ce sera l’une des spécialités de Meerkat », souligne Rupert Spann. 

L’astronome Rupert Spann a pris l’habitude de monter sur cette colline pour contempler l’avancement du chantier. © J.-L. Dauvergne

Du haut du promontoire, nous contemplons le passé de Meerkat et son futur. « D’ici, j’ai souvent pris des photos des différents stades d’avancement », raconte le chercheur, conscient de vivre une étape historique pour l’astronomie mondiale. Tout autour de la partie centrale, des bases circulaires vides indiquent l’emplacement des radiotélescopes à venir.

Sur la gauche, un groupe isolé de sept paraboles de 12 m est visible. « Il s’agit du réseau Kat-7, opérationnel depuis 2012. Ce démonstrateur a permis à l’Afrique du Sud de prouver son savoir-faire en vue de la réalisation du SKA », explique Rupert Spann. Car Meerkat s’inscrit dans ce programme international. L’objectif du Square Kilometre Array est de construire deux observatoires radio, l’un en Afrique du Sud et l’autre en Australie, avec l’ambition à très long terme de disposer d’une surface collectrice totale de 1 kilomètre carré. 

Des parapoles réparties sur 150 km

Le SKA est découpé en deux phases. La seconde tranche, très ambitieuse, n’est pas encore financée, mais la première est déjà prometteuse. « Il s’agit d’atteindre 197 radiotélescopes en Afrique du Sud », explique Rupert Spann. D’ici 2021, le réseau cumulera une surface collectrice de 33 000 m² avec des paraboles réparties sur 150 km de large. Il faut donc imaginer cette plaine avec des antennes à perte de vue ! Si la phase 2 se concrétise, elle est bien plus ambitieuse encore : « L’objectif est d’installer 300 radiotélescopes de plus à travers toute l’Afrique », détaille Rupert Spann. Il est même prévu d’aller jusqu’à l’île Maurice et au Ghana. 

Jusqu’en mars 2018, des ouvriers vont s’affairer pour assembler les radiotélescopes de 13,5 m de diamètre.
Meerkat sera complété ensuite par 133 antennes de plus de 15 m de diamètre, dans la première phase du projet SKA. © J.-L. Dauvergne

Pourquoi répartir des antennes sur des si grandes distances ? Parce que plus elles sont éloignées les unes des autres, meilleure est la résolution des observations. En clair, pour obtenir la même finesse d’image qu’un télescope amateur de 200 mm dans le visible, un observatoire radio doit avoir une base de 2 km à 2 000 km selon la fréquence choisie ! Le réseau du SKA pourra fonctionner avec la totalité de ses antennes ou seulement une partie. Mais à mesure que l’on s’éloigne du cœur de l’observatoire, la densité de radiotélescopes diminue, et avec elle, le constraste des images. Pour étudier des nuages de gaz, il sera donc plus efficace d’utiliser un ensemble compact comme le cœur de Meerkat. 

« J’ai vraiment de la chance d’être devenu astronome au bon moment », souligne Rupert Spann. Il a passé sa thèse en 2006 et s’est naturellement spécialisé dans la radioastronomie, vu les efforts faits par la nation arc-en-ciel dans ce domaine. Jusqu’ici, le plus gros investissement du pays pour l’astronomie avait été le télescope de 10 m Salt pour un budget d’environ 30 millions de dollars (M$). Le coût de Meerkat est, lui, de 200 M$ ! Ainsi, le pays est en train de se hisser à la pointe de l’astronomie mondiale. 

Assemblage des paraboles de Meerkat.
C’est dans ce grand hangar que sont assemblées les paraboles de Meerkat. Un nouvel instrument sort chaque semaine ! © J.-L. Dauvergne

En balayant le chantier du regard, l’effervescence est palpable, ici une grue, là des hommes en train de mettre en fonctionnement un radiotélescope, des véhicules qui se croisent dans des nuages de poussière… Pour le moment, les ouvriers y sont bien plus nombreux que les astronomes. D’autant que l’observatoire n’est pas uniquement piloté sur place. Il existe une autre salle de contrôle. Pour la visiter, il faut prendre le vol retour vers Le Cap avec Robin Richardson.

À l’approche de la ville, la silhouette de la montagne de la Table se dessine à travers le cockpit. Un site emblématique pour les astronomes, puisque c’est le seul relief terrestre existant aussi dans le ciel sous forme de constellation, depuis que Nicolas-Louis de Lacaille l’a inventée en 1752.

Vue de l’avion navette, la montagne de la Table surplomble les nuages qui masquent Le Cap. © J.-L. Dauvergne

La montagne de la Table se contemple aussi depuis la salle de contrôle de Meerkat du Cap. Ici, tous les écrans sont opérationnels et déroulent les innombrables fenêtres indiquant l’état des radiotélescopes. Bunku Hgcebtska, fraîchement embauché, surveille leur bon fonctionnement. Il appartient à la première génération d’astronomes sud-africains noirs. Pour tourner la page de l’apartheid, l’État a fait de grands efforts afin de promouvoir l’égalité des chances.

L’observatoire peut être piloté d’ici ou du Karoo. En particulier, si le technicien sur place rencontre un problème inattendu, il peut passer la main à un astronome au Cap à tout moment. « Ces écrans servent par exemple à vérifier que les données sont enregistrées correctement, ou encore que les radiotélescopes sont bien corrélés entre eux », explique Bunku Hgcebtska. Pour le moment, le lieu est calme, mais cela ne va pas durer. Dès la fin de l’année, cette pièce va commencer à être utilisée à plein régime, lorsque Meerkat entamera ses tâches scientifiques. 

Le jeune astronome Bunku Hgcebetsha pilote Meerkat depuis Le Cap, située à plus de 400 km de l’observatoire.
La silhouette de la montagne de la Table se dessine par la baie vitrée. © J.-L. Dauvergne

Déjà, les résultats produits pendant la phase de test sont prometteurs. À quelques pas de la salle de contrôle, le tirage de la « première lumière » (la première observation) avec 16 télescopes est fièrement accroché au mur du couloir. L’œil profane y discerne quelques points, voire quelques galaxies sur un grand fond de ciel noir.

Mais décrypté par Fernando Camilo, directeur scientifique du SKA, le document prend une tout autre dimension : « Nous voyons par exemple une galaxie d’un type découvert par Bernie Fanaroff, l’ancien directeur du SKA. Ces galaxies abritent en leur centre un trou noir qui émet des particules de haute énergie formant deux lobes immenses : ceux-ci font environ 7 millions d’années-lumière » — soit plus du double de la distance qui sépare la Voie lactée de la galaxie d’Andromède !

Et ce n’est qu’une fraction infime des innombrables sources contenues par ce champ large comme deux Pleines Lunes. Depuis, d’autres images ont été réalisées en combinant 32 radiotélescopes. 

Directeur du programme scientifique du SKA, Fernando Camilo présente l’une des toutes premières images prises
par Meerkat. Elle montre, en bas à droite, une galaxie située à plus d’un milliard d’années-lumière, avec des lobes de matière
qui s’étendent sur 7 millions d’années-lumière ! © J.-L. Dauvergne

Pour le moment, l’observatoire n’a pas la meilleure résolution du monde dans le domaine radio. « Le Very Large Array, aux États-Unis, fait mieux. En revanche, les instruments de Meerkat, de dernière génération, sont actuellement les plus sensibles au monde », souligne Fernando Camilo. En effet, le nombre de galaxies visibles est multiplié par 20 sur les premières images obtenues. Certaines d’entre elles sont vues pour la première fois en radio !

Un des plus grands mystères actuels : les sursauts radio

Huit projets prioritaires ont été sélectionnés en 2010 afin de tirer parti de ces performances. Chacun nécessite plus de 100 h d’observation sur cinq ans. « L’un d’eux porte sur un des plus grands mystères actuels : les sursauts radio. Personne ne sait de quoi il s’agit car, pour le moment, ils sont localisés avec une précision équivalant à la moitié de la taille apparente de la Lune, et il y a des centaines de galaxies dans une telle zone », explique Fernando Camilo.

« L’un de ces sursauts s’est répété plusieurs fois et a tout de même pu être localisé par le radiotélescope d’Arecibo. Il semble provenir d’une galaxie lointaine située à 1 milliard d’années-lumière ; c’est donc un phénomène très violent », précise le directeur scientifique du SKA. Meerkat doit également travailler sur les éventuelles contreparties radio des ondes gravitationnelles, mais aussi étudier des nuages d’hydrogène proches et lointains, ou encore scruter des interactions entre galaxies. 

Avec une sensibilité 100 fois supérieure à celle des radiotélescopes actuels

Et il reste tant à découvrir : « Nous ne connaissons que 2 à 3 % du million de pulsars présents dans notre galaxie », souligne Fernando Camilo. Meerkat, puis SKA ont donc tout un champ de l’astronomie à débroussailler. La première phase du SKA ne représente que 10 % du projet final, mais permettra déjà d’avoir une sensibilité 100 fois supérieure à celle des radiotélescopes actuels. Le flux de données sera tel que les astronomes ne pourront pas tout sauvegarder et devront trier en temps réel.

Leur plus gros enjeu sera la sérendipité : ces trouvailles faites par hasard, comme les pulsars en leur temps, ou pourquoi pas demain le signe d’une civilisation extraterrestre. De jeunes chercheurs travaillent ardemment sur cette question épineuse : comment apprendre à des machines à découvrir ce que l’on n’attend pas. Pour beaucoup d’informaticiens, c’est encore de la science-fiction, mais sous le ciel brumeux du Cap, demain est déjà là. 

Ce reportage a été publié dans le Ciel & Espace n°555, de septembre-octobre 2017.

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