Très attendue par la communauté astronomique, la mise en service progressive de l’observatoire interférométrique Alma devrait s’achever en 2018. Ce qui n’empêche pas cet instrument exceptionnel de déjà produire de la science.

La nouvelle s’étalait le 30 mars 2016 à la Une du site internet de l’interféromètre Alma. En poussant presque au maximum la résolution de ce vaste réseau d’antennes, installé à 5000 mètres d’altitude sur le plateau de Chajnantor, dans le désert d’Atacama au Chili, une équipe internationale annonçait avoir réussi à obtenir l’image la plus détaillée jamais réalisée des « sillons » d’un disque protoplanétaire. Ces parties sombres des « anneaux » de gaz et de poussières entourant les jeunes étoiles, correspondraient à des « trouées » créées par le passage de planètes en formation. Prévues par la théorie, elles n’avaient jamais été observées avant la mise en service d’Alma. Et constituent, depuis 2014, date de leur découverte, un nouveau et passionnant sujet d’études pour les astronomes.

Un futur haut-lieu de la science

Décidé en 1997 par l’Eso et la NRAO , en construction dès 2003, impliquant le Japon depuis 2004, Alma est dédié à l’observation de la voûte céleste dans une partie non visible du spectre lumineux : les ondes millimétriques et submillimétriques. Il permet d’étudier, de jour comme de nuit, et presque tout au long de l’année, des phénomènes souvent imperceptibles avec les instruments d’optique classiques.

A peine deux ans et demi après son inauguration officielle, en octobre 2013, Alma est déjà un haut-lieu de la science. Cette titanesque installation dont la construction a mobilisé les ressources humaines, techniques et financières -pour 1.4 milliards d’euros- de trois continents poursuit sa montée en puissance vers ses pleines capacités. Les 50 antennes de 12 mètres de diamètre et de 100 tonnes chacune qui constitueront son réseau principal sont déployées sur le plateau de Chajnantor et entrent progressivement en service (plus de 40 antennes actuellement). De même les trois dernières des seize antennes du réseau compact _ 2 de 7 mètres et 1 de douze mètres seront bientôt mises à disposition des astronomes. Il reste enfin trois des dix bandes de fréquence à rendre utilisable pour les observations. Mais l’essentiel est là. Permettant aux astronomes de commencer, durant la phase actuelle dite d’early science -qui durera jusqu’en 2018 - à explorer et à exploiter les fantastiques capacités de ce dispositif hors norme.

Ces deux réseau - le principal et le compact - forment en réalité deux instruments complémentaires, appelés « interféromètres » : l’un destiné à réaliser des images hautement résolues et précises du ciel et l’autre, utilisé pour en produire des cartes grand champ. L’ensemble fait d’Alma, et ce, probablement pour encore plusieurs décennies, le plus puissant instrument de radioastronomie millimétrique et submillimétrique du monde.

Les promesses de l’astronomie submillimétrique

Développée depuis les années 1960, la radioastronomie submillimétrique est avant tout dédiée à l’étude de la partie froide de l’univers. A la différence de l’astronomie optique classique, laquelle n’est sensible qu’aux objets chauds comme les étoiles, elle peut renseigner les chercheurs sur des processus dont la température n’excède pas les quelques degrés ou dizaines de degrés au-dessus du zéro absolu.

Molécules interstellaires, jeunes étoiles cachées dans des nébuleuses, constituants majeurs des galaxies… Ces divers phénomènes rendent compte des multiples étapes du cycle de la matière interstellaire depuis le moment où elle s’agrège, dans des nuages de gaz et de poussières, pour former des étoiles, jusqu’à celui où elle sera éjectée dans l’espace lorsque ces astres arrivent en fin de vie.

Les équipements d’Alma permettent ainsi de pousser beaucoup plus loin la connaissance de l’origine des galaxies, des étoiles et des planètes, et d’apporter des réponses à la question fascinante de nos origines cosmiques. L’énorme installation est, tout d’abord, capable de sonder une portion du ciel sur plusieurs sections du spectre lumineux. En effet, chacune de ses 66 antennes sera, à terme, équipée de dix récepteurs radio (7 actifs actuellement), sensibles à des bandes de longueurs d’onde différentes (λ=10-0.3 mm ; correspondant à des fréquences entre 30-950 GHz). Certaines étant presque inexplorées. Il y a de quoi élargir considérablement la palette de phénomènes observables par les astronomes.

Elle sera, ensuite, en mesure de produire des vues du cosmos d’une qualité exceptionnelle. Chaque antenne des deux interféromètres d’Alma a en effet été conçue pour capter le signal extrêmement ténu en provenance des objets célestes. Puis, à le transformer et l’amplifier dans chacun de ses récepteurs maintenus à -269 °C. En compensant dans un dispositif appelé corrélateur les retards d’arrivée de la lumière de l’astre sur telle ou telle antenne, les équipes d’Alma sont capables de générer une image. Un cliché dont la sensibilité et la dynamique dépend du nombre et de la taille des antennes. Et dont la résolution s’avère équivalente à celle d’un télescope dont le diamètre correspondrait à l’écart maximal entre les antennes de l’interféromètre ; un écart qui pourra aller jusqu’à 15 km !

Un instrument très attendu… et très disputé

Bien entendu, un tel outil est très attendu des astronomes qui n’entendent pas patienter jusqu’à la fin de la mise en service pour commencer à l’exploiter. « Quatre appels à projets ont ainsi déjà été lancés, et un cinquième qui s’est traduit par le dépôt de plus 1600 demandes de temps d’observation vient d’être clos pour la période octobre 2016–septembre 2017 », précise Sébastien Maret, chercheur CNRS à l’IPAG . Un chiffre astronomique quand on sait que seules 400 environ d’entre elles seront en définitive satisfaites !

Il faut dire que les résultats sont là. En astrochimie, Alma a déjà fait la démonstration qu’il était capable de débusquer des molécules interstellaires plus rares et plus complexes que toutes celles qui avaient été repérées jusqu’ici. Grâce à lui, par exemple, la présence d’un sucre, le glycolaldéhyde, a été établie à proximité d’une proto-étoile, et celle de molécules organiques complexes prouvée autour d’un disque protoplanétaire. En cosmologie, la capacité de l’instrument à discerner les objets les plus lointains et, donc les plus jeunes, a aussi été démontrée. Des équipes sont allées jusqu’à réaliser des images de galaxies distantes de 12.9 milliards d’années-lumière !

Enfin, le formidable pouvoir de résolution d’Alma a lancé une véritable course entre les astronomes. Etude des disques protoplanétaires, observation des pouponnières d’étoiles, caractérisation du milieu interstellaire, mesures précises de la masse des trous noirs galactiques, les thèmes de recherches semblent se décliner à l’infini. Et cela, pas seulement s’agissant des phénomènes hors de notre système solaire. « En effet, les instruments d’Alma ont également la capacité d’apporter un supplément d’informations sur les astres de notre proche environnement comme les comètes, les objets de la ceinture de Kuiper ou les planètes dont il est possible de déterminer les compositions chimiques, l’état de surface, et la circulation atmosphérique », précise Raphael Moreno, astronome au Lesia .

Une contribution française importante

Et la France dans tout cela ? Impliquée à travers l’Eso qui participe quant à lui à 37.5 % du financement d’Alma, elle a l’avantage de disposer de nombreux spécialistes dans ce domaine de la radioastronomie. Le taux de succès français aux appels d’offre est très positif. Ainsi, pas moins de trente des 400 projets d’observations actuellement en cours au Chili, sont portés par des chercheurs français. L’un d’entre eux, Pierre Cox, est même l’actuel directeur de l’observatoire chilien. La contribution de l'industrie française a également été importante. La plus notable est la participation de Thales Alenia Space en tant qu’« industriel pilote » du consortium franco-italo-allemand qui a construit les 25 antennes de 12 m que l'Europe était chargée de fabriquer. De conception résolument innovante, ce sont les meilleures antennes d'Alma. Et les seules à répondre à toutes les spécifications initiales.

De son côté, la société ST Microélectronique a travaillé avec l'Observatoire de Bordeaux pour fabriquer l’un des composants électroniques principaux du corrélateur. Par ailleurs, certains des récepteurs d’Alma -ceux dits de la « bande 7 », une de plus utilisées- ont été conçus et fabriqués à Grenoble par les équipes de l’Iram . La même institution iséroise joue le rôle de nœud régional du réseau Alma en Europe. Chargée de dépouiller les données brutes provenant de l’instrument, elle aide à l’échelle du vieux continent, les astronomes à les interpréter. Une mission d’autant plus normale pour l’Iram que celui-ci travaille aujourd’hui à un ambitieux projet baptisé Noema qui vise à radicalement transformer d’ici 2019 ses installations du Plateau de Bure, à 2552 mètres d’altitude, dans les Hautes-Alpes en une sorte d’équivalent hexagonal et septentrional d’Alma. Un interféromètre millimétrique à douze antennes, dont la huitième vient d’être mise en service, et qui est certes un peu moins performant par certains aspects que la machine chilienne mais qui sera, tout de même, le plus puissant de tout l’hémisphère nord !

A voir : « Prémices d’étoiles », un film de Marcel Dalaise, produit par CNRS Images (6 min, 2012) à visionner sur le site de la vidéothèque du CNRS