CHIME est un télescope innovateur qui fonctionne sans aucune pièce mobile. Conçu pour cartographier sur une fraction importante de l’Univers observable l’élément le plus abondant, l’hydrogène, ce télescope non-usuel est optimisé pour y parvenir le plus rapidement possible. Cette maximisation implique un grand champ de vision instantané (environ 200 degrés carrés) ainsi qu’une large couverture en fréquences (de 400 à 800 MHz). Les signaux numériques collectés par CHIME seront traités pour former une carte en trois dimensions de la densité d’hydrogène, qui sera utilisée à son tour pour mesurer l’évolution de l’expansion de l’Univers. En parallèle, ces données peuvent être épluchées à la recherche de signaux radio transitoires rapides, faisant de CHIME un télescope privilégié pour la découverte de nouveaux «sursauts radio rapides» (Fast Radio Bursts, FRB) et pour la surveillance de plusieurs pulsars sur une base quotidienne.
Télescope
CHIME est composé de quatre réflecteurs cylindriques de 20 m par 100 m disposés côte à côte et orientés dans la direction nord-sud. L’axe focal de chaque cylindre est revêtu de 256 antennes à double polarisation, recevant chacune les ondes radio provenant d’une large bande de ciel qui s’étend de l’horizon nord à l’horizon sud : un immense champ de vision. Les antennes de CHIME sont conçues sur mesure pour être sensibles aux fréquences entre 400 et 800 MHz, et ce pour chacune des polarisations linéaires. Cette configuration assure à CHIME sa grande couverture dans l’espace des fréquences. Les signaux captés par ces antennes sont amplifiés en deux étapes grâce à des amplificateurs à faible bruit initialement développés pour l’industrie du téléphone portable ; cette application innovante d’une technologie grand public fait de CHIME un télescope peu coûteux. Les 2048 différents signaux recueillis par le télescope (256 antennes X 2 polarisations X 4 cylindres) sont transmis au F-Engine pour la première étape du traitement numérique des données.
F-Engine
Le F-Engine composé de circuits logiques programmables est logé dans deux conteneurs d’expédition mesurant 20 pieds de long spécialement protégés et situés entre les cylindres. Ce système numérise chaque signal d’entrée analogique 800 million de fois par seconde et convertit chaque microseconde de données (2048 prélèvements) en un spectre de fréquences de 1024 éléments disposés entre 400 et 800 MHz, avec une résolution fréquentielle de 0.39 MHz. Le système distribue ensuite les données par bande de fréquences et les transmet par fibre optique au X-Engine qui corrèle les signaux dans l’espace. La cadence des données d’entrée traitées par le F-Engine atteint 13 téraoctets par seconde !
X-Engine
Le X-Engine programmé sur GPU est logé dans deux conteneurs d’expédition mesurant 40 pieds de long spécialement protégés et situés à l’est des cylindres. Chacun des conteneurs contient 128 noeuds de calcul disposés à l’intérieur de 15 étagères de la taille d’un réfrigérateur. Chacun des noeuds de calcul est chargé du traitement de quatre des 1024 bandes de fréquences. Ces noeuds recueillent les signaux numérisés en provenance du F-Engine et forment à chaque milliseconde le produit du signal d’entrée de chaque télescope avec celui de tous les autres signaux d’entrée. Ces «matrices de corrélation» sont moyennées sur une durée de quelques secondes et écrites sur disque en attente d’être transformées en cartes du ciel. Le fonctionnement du système en entier requiert une puissance de 250 kilowatts.
Détecteur de sursauts radio rapides
Pour la recherche de sursauts radio rapides (Fast Radio Bursts, FRB), CHIME balaiera en continu 1024 points (ou «faisceaux») distincts dans le ciel 24 heures sur 24, sept jours sur sept. Chaque faisceau est échantillonné 1000 fois par seconde (à 16 000 fréquences différentes), ce qui correspond à 130 milliards de bits de données par seconde devant être analysées en temps réel. Les données sont empaquetées par le X-Engine et expédiées par l’intermédiaire d’un réseau à haute vitesse vers l’outil de recherche de FRB d’arrière-plan, qui est logé dans son propre conteneur d’expédition de 40 pieds de long situé en-dessous du télescope CHIME. L’outil de recherche de FRB d’arrière-plan comprend 128 noeuds de calcul, ce qui représente plus de 2500 coeurs CPU et 32 000 GB de mémoire vive. Chacun des noeuds de calcul sera chargé de sonder huit faisceaux individuels à la recherche de FRB. Une fois identifiés, les candidats FRB sont transmis à un second stade de traitement, qui combine l’information des 1024 faisceaux pour déterminer la position, la distance et les caractéristiques du sursaut. Au plus quelques secondes après la détection d’un événement FRB, une alerte automatique sera transmise à l’équipe de CHIME et à la communauté scientifique périphérique pour permettre un suivi rapide de ce sursaut.
Instrument de surveillance de pulsars
Le télescope CHIME possède la sensibilité nécessaire pour assurer la surveillance de pratiquement tous les pulsars connus dans le ciel du nord. L’instrument de surveillance de pulsars recevra dix des faisceaux effectuant le suivi du ciel produits par le X-Engine. CHIME échantillonnera chacun de ces faisceaux à une résolution de 6.4 milliards de bits par seconde et les signaux résultants seront transmis du X-Engine jusqu’au moniteur de chronométrage de pulsars par l’intermédiaire d’un réseau à haute vitesse. Le moniteur de chronométrage traite les signaux en temps réel en utilisant dix noeuds de calcul consacrés à cette tâche. Chacun de ces noeuds est composé d’un processeur Intel à haute puissance qui compile les données entrantes avant de les transmettre à un GPU NVIDIA TitanX pour l’analyse de chronométrage ; les résultats de cette analyse seront ensuite entreposés sur un serveur comprenant plusieurs disques avant d’être expédiés à Calcul Canada. Les données sortantes provenant du moniteur de chronométrage de pulsars sont d’une taille d’environ 500 000 gigaoctets par année. La cadence élevée de ces observations permettra d’étudier les propriétés des étoiles à neutrons et du gaz ionisé du milieu interstellaire, de vérifier les prévisions de la théorie de la relativité générale ainsi que de rechercher des ondes gravitationnelles.