Cosmologie
Il est reconnu que l’Univers est en expansion depuis le temps d’Edwin Hubble, mais des observations récentes ont démontré que cette expansion est en accélération. On postule présentement que l’«énergie sombre», dont l’origine et les propriétés physiques demeurent à déterminer, pourrait en être la cause. Mesurer en détails l’expansion de l’Univers représente une des façons d’en apprendre davantage sur la nature de l’énergie sombre.
L’expérience CHIME cartographiera l’histoire du taux d’expansion de l’Univers en observant l’hydrogène gazeux contenu dans des galaxies distantes fortement affectées par l’énergie sombre. CHIME pourra ainsi mesurer les vestiges des oscillations acoustiques de baryons (Baryon Acoustic Oscillations, BAO), des coquilles sphériques de surdensité de matière dans lesquelles les galaxies et le gaz sont plus susceptibles de se trouver aujourd’hui. Le rayon de ces coquilles fut établi par les conditions environnantes dans l’Univers primordial (jusqu’à 400 000 ans après le Big Bang), et est en principe toujours détectable dans la distribution distante de l’hydrogène gazeux. Cela signifie que, au cours des 13 derniers milliards d’années, cette échelle de distances caractéristique a évolué uniquement sous l’effet de l’expansion de l’Univers, fournissant ainsi un étalon de distance pouvant servir à mesurer ce taux d’expansion.
Déjà, il a été possible de mesurer l’échelle des BAO en faisant le recensement de la positions de galaxies pour cartographier la distribution de matière dans l’Univers. Néanmoins, ce type de détection de BAO est obtenu au terme d’un processus long et laborieux nécessitant de séparer chaque galaxie individuelle et ne possédant qu’une couverture limitée dans l’espace des redshifts. CHIME pourra cartographier la distribution de matière dans l’Univers en utilisant l’émission radio à 21 cm de l’hydrogène intergalactique à une résolution nettement moins fine que celle des galaxies individuelles, mais assez grande pour mesurer l’échelle des BAO. Cette technique, connue sous le nom de cartographie de l’intensité de l’hydrogène, est beaucoup plus rapide et permettra d’étudier un volume d’enquête plus grand que jamais auparavant. Puisqu’ici les galaxies ne sont pas séparées et comptées, cette méthode évite l’utilisation de la physique complexe de la formation de galaxies, ce qui en fait une méthode appropriée pour mesurer la structure à grande échelle de l’Univers.
Sursauts radio rapides
Les sursauts radio rapides sont de brefs sursauts d’ondes radio (de quelques millisecondes) en provenance de sources situées bien au-delà de notre galaxie. Ce phénomène fut rapporté pour la première fois en 2007 et en date de la mi-année 2017, environ deux douzaines de sursauts radio rapides ont été détectés. Leur origine demeure inconnue. Ils sont néanmoins omniprésents : selon les meilleures estimations actuelles, ces évènements atteignent la Terre environ un millier de fois par jour sur le ciel en entier.
La grande surface collectrice du télescope CHIME, sa large bande passante ainsi que son énorme champ de vision en font un excellent détecteur de FRB. Depuis la mi 2020, CHIME a détecté bien au-delà de 1000 sources de sursauts radio rapides. Un taux d’événements si élevé promet des progrès importants dans la compréhension du phénomène astrophysique déroutant que sont les sursauts radio rapides. Les FRB lumineux découverts par CHIME seront détectés en temps réel et rapportés immédiatement à la communauté internationale pour en assurer le suivi à de multiples longueurs d’onde.
L’équipe de sursauts radio rapides CHIME a récemment reçu une subvention de la Fondation Gordon et Betty Moore afin de concevoir des télescopes stabilisateurs CHIME: de plus petites versions de CHIME à être localisées à d’importantes distances de CHIME lui-même. Ces stabilisateurs permettront aux sursauts radio rapides détectés par CHIME d’être précisément localisés dans le ciel pour permettre aux astronomes de repérer la galaxie exacte dont l’évènement a émergé.
Pulsars
Les pulsars radio sont des étoiles à neutrons à grande vitesse de rotation et hautement magnétisées qui peuvent servir d’horloges cosmiques précises. Découverts en 1967 par Jocelyn Bell, les pulsars radio s’apparentent à des phares cosmiques : ils émettent des faisceaux de lumière radio à partir de leur pôles magnétiques, qui ne sont pas parfaitement alignés avec l’axe de rotation de l’étoile à neutrons. Environ 3000 pulsars sont connus aujourd’hui.
Le chronométrage de pulsars implique la surveillance d’un pulsar donné sur une période allant de quelques semaines à quelques années et le comptage de chacune des pulsations émises pendant ce laps de temps. Les pulsars sont très utiles dans une grande variété de mesures astrophysiques de précision : on parle entre autres de la vérification de théories relativistes de la gravitation en utilisant des pulsars binaires à champ fort et de la détection du fond d’ondes gravitationnelles causées par la fusion de trous noirs supermassifs lors d’interactions entre galaxies. La détection de ce fond d’ondes gravitationnelles, dont la période atteint plusieurs années, sera rendue possible par l’intermédiaire d’un «réseau de chronométrage de pulsars» (Pulsar Timing Array, PTA). Dans ce réseau, des télescopes radio autour du monde surveillent des douzaines de pulsars à rotation très rapide sur une base régulière pendant des années.
Avec sa large bande passante et sa grande zone de collecte, le téléscope CHIME est excellent pour la synchronisation du pulsar. Son large champ de vision et ses nouveaux faisceaux orientés par logiciel permettent aux scientifiques de synchroniser jusqu’à 10 pulsars en tout temps, 24 heures par jour, 7 jours sur 7. Ceci permet une étude unique de pulsars hautement variables tels que des annulants et des changeurs de mode ainsi que l’observation quotidienne des sources de matrice de synchronisation pulsar. Les relativement basses fréquences détectées par le télescope CHIME facilitent l’enlèvement des effets du médium interstellaires variable sur les impulsions radio, une des sources importantes connues de bruit pour les expériences sur les vagues gravitationnelles. Ceci améliore la précision des expériences effectuées par les projets de matrices de synchronisation pulsar comme NANOGrav et Réseau international de chronométrage de pulsars (International Pulsar Timing Array), dans lesquels plusieurs membres de l’équipe CHIME/Pulsar sont impliqués.
Le téléscope CHIME sera bientôt capable de chercher des pulsars radio. Une recherche des pulsars lents de grande envergure est actuellement en train d’être développée et utilisera les observations quotidiennes du ciel nordique de CHIME, en particulier les pulsars annulants et intermittents, ou les pulsars dans les systèmes binaires éclipsants. Ceci fait partie du projet CIRADA.
