Une technologie révolutionnaire issue du génie canadien pour le télescope CHIME

CHIME, le révolutionnaire radiotélescope canadien inauguré aujourd’hui en Colombie-Britannique, intègre une technologie innovante qui permettra d’étudier simultanément d’importants phénomènes astrophysiques et cosmologiques (notamment la nature de l’« énergie sombre » par une cartographie jamais vue de l’Univers éloigné), tout en perçant l’origine des mystérieux « sursauts radio rapides ».

Contrairement aux télescopes classiques, le télescope CHIME (acronyme de Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment) ne comporte aucune pièce mobile. Le télescope, créé par 50 scientifiques de l’Université de la Colombie-Britannique, de l’Université de Toronto, de l’Université McGill et du Conseil national de recherches du Canada, « observe » les ondes radio du ciel d’une toute nouvelle façon : il emploie plus de mille antennes enregistrant l’information de toutes les ondes radio qui atteignent sa surface.

Les signaux radio sont convertis en données numériques à une cadence de 13 térabits par seconde – un débit comparable à celui de l’ensemble des données circulant sur les appareils mobiles du monde entier. Comme cette quantité d’information ne peut être stockée, elle est traitée en temps réel. Le télescope CHIME « balaie numériquement » la large bande de ciel qui le surplombe, ce qui rend désuet le déplacement du télescope classique, mais, avant tout, permet une observation multidirectionnelle simultanée.

Faible coût et traitement surpuissant

L’innovation à l’origine du télescope CHIME est issue d’une technologie créative mise au point par des universités canadiennes, qui aura permis la réalisation du projet au coût de 16 millions de dollars canadiens reçus en financement fédéral-provincial – soit une fraction du prix des meilleurs radiotélescopes.

Au cœur du télescope CHIME se trouve un réseau numérique complexe et un « cerveau » de traitement du signal, appelé le corrélateur, où l’énorme quantité d’information tirée des ondes radio est convertie en une image du ciel. Le corrélateur élaboré par l’équipe offre une capacité inédite de traitement réseau brut et de calcul, à un faible coût. Pour cela, l’équipe a dû mettre au point des technologies adaptées et innovantes et les intégrer à des technologies commerciales courantes.

« Il ne s’agissait pas tout simplement de se procurer le plus grand corrélateur radio au monde, explique Matt Dobbs de l’Université McGill. L’appareil a été soigneusement mis au point par une équipe connaissant dans les moindres détails les objectifs scientifiques et en mesure de concevoir la technologie. Nous travaillions à l’invention d’un nouvel instrument, mais aussi à la mise sur pied d’une équipe d’experts au Canada qui saurait innover dans le domaine de l’instrumentation scientifique à la fine pointe de la technologie. Ce fut inspirant de faire partie de l’extraordinaire équipe d’ingénieurs, de postdoctorants et d’étudiants. »

Les cartes de circuits imprimés spécialement conçues et produites pour le projet convertissent en données numériques les signaux radio captés par les antennes. Ces données sont ensuite fractionnées en quelque mille radiofréquences, un peu comme des rayons lumineux qui traversent un prisme de verre. Enfin, les données sont traitées dans un réseau de données conçu sur mesure.

Un superordinateur fondé sur les technologies du jeu vidéo sur ordinateur

La deuxième composante essentielle du corrélateur du télescope CHIME est née de l’assemblage d’un nombre considérable d’unités de traitement graphique (GPU ou Graphics Processor Units) – une technologie de l’industrie du jeu vidéo sur ordinateur – pour concevoir un superordinateur spécialisé et adapté à cette application. Par une reprogrammation ingénieuse des unités GPU, les chercheurs de l’Université de Toronto ont pu utiliser ce superordinateur pour cartographier le ciel cosmique. Le superordinateur permet aussi de scruter le ciel afin de mieux comprendre l’origine des sursauts radio rapides.

« Mon université se demandait bien pourquoi les subventions servaient à l’achat d’autant de cartes graphiques de jeu vidéo, raconte avec humour le chercheur torontois Keith Vanderlinde. En produisant le superordinateur à partir d’unités du commerce, puis en développant un logiciel d’imagerie du ciel, nous avons pu concevoir un télescope de calibre mondial, mais abordable. Ce projet ouvre la voie à la conception de télescopes encore plus puissants. »

Le télescope CHIME est constitué de quatre immenses cylindres qui s’apparentent à des demi-lunes de planche à neige, dont l’aire totale équivaut à la superficie de cinq patinoires de hockey. Chaque cylindre concentre les ondes radio vers un ensemble de 256 antennes radio qui convertissent les signaux du ciel en signaux électriques. « Les signaux radio du télescope CHIME sont transmis à un circuit analogique sur mesure composé de filtres et d’amplificateurs commerciaux peu coûteux conçus pour l’industrie de la téléphonie cellulaire, explique Gary Hinshaw, chercheur à l’Université de la Colombie-Britannique. Avec le télescope CHIME, nous avons mis les forces du marché au service de la révolution scientifique. »

Un moteur de recherche de sursauts radio rapides

Un instrument sensible de détection des sursauts radio rapides est également mis au point pour le télescope CHIME. Constitué de 128 nœuds informatiques, il aura la capacité de rechercher en continu les sursauts rapides dans toutes les zones célestes à la portée du télescope. Des algorithmes et pipelines logiciels avancés ont été conçus pour traiter en temps réel un flux de 130 milliards de bits de données par seconde. « En adoptant des algorithmes informatiques plus intelligents, nous avons fait du télescope CHIME le moteur de recherche de sursauts radio rapides le plus efficient du monde », explique Kendrick Smith, chercheur à l’Institut Périmètre de physique théorique, un autre partenaire du projet.

Le télescope CHIME, maintenant en phase de mise en service en vue de ses activités scientifiques, a été érigé à l’Observatoire fédéral de radioastrophysique de Penticton (C.-B.), grâce au financement reçu de la Fondation canadienne pour l’innovation, des gouvernements de la Colombie-Britannique, du Québec et de l’Ontario, ainsi que de l’Institut canadien de recherches avancées.

Pour obtenir de plus amples renseignements sur le télescope CHIME, visitez le chime-experiment.ca.

Photo 1. The CHIME telescope.

Photo 2. CHIME graduate student researcher Juan Mena with the custom electronics from the CHIME correlator

Photo 3. Nolan Denman (UofT PhD student) at the CHIME telescope, inspecting one of the 256 processing nodes which make up the signal processing backend. (PHOTO: Keith Vanderlinde)

FRB video:

CHIME animation

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