L'empreinte des ondes gravitationnelles: sujet chaud pour capteurs froids
Publié par Redbran le 09/03/2020 à 14:00
Source: CEA IRIG

Pour comprendre l'Univers primitif, le DSBT développe pour le Caltech et le JPL NASA des cryoréfrigérateurs sub-kelvin tri-étagés autonomes et sans consommables pour refroidir des détecteurs à des températures inférieures à 300 mK.

La quête du savoir et l'ambition de résoudre les mystères qui nous entourent impliquent de développer des instruments à la pointe de la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) dans de nombreux domaines. Cela est particulièrement vrai en astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des objets de l'univers...), où les signaux ténus qui nous parviennent de différentes sources dans l'espace nécessitent l'utilisation de dispositifs extrêmement sensibles. À cet égard, la cryogénie (La cryogénie est l'étude et la production des basses températures (inférieures à -150 °C) dans le but de comprendre les phénomènes physiques qui s'y manifestent. Elle possède de très nombreuses applications notamment dans le secteur...) et l'utilisation de détecteurs fonctionnant aux basses températures sont souvent essentielles à la réalisation des objectifs scientifiques, offrant des performances inégalées. Il existe ainsi une demande croissante pour des refroidisseurs capables de fournir des températures inférieures à 1 K.

Le fond diffus cosmologique (Le fond diffus cosmologique est un rayonnement électromagnétique provenant de l'Univers, et qui frappe la Terre de façon quasi uniforme dans toutes les directions.) (FDC), plus connu sous son acronyme anglais CMB, est un rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule...) fossile (Un fossile (dérivé du substantif du verbe latin fodere : fossile, littéralement « qui est fouillé ») est le...) émis 380 000 ans après le Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des modèles cosmologiques qui la...), au moment de la recombinaison, lorsque l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) est devenu transparent à la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est...). C'est un corps noir (En physique, un corps noir désigne un objet idéal dont le spectre électromagnétique ne dépend que de sa température. En pratique, un tel objet matériel n'existe pas, mais il représente un cas idéalisé servant de référence...) uniforme presque parfait à 2,7 K, avec une anisotropie (L'anisotropie (contraire d'isotropie) est la propriété d'être dépendant de la direction. Quelque chose d'anisotrope pourra présenter différentes caractéristiques selon la...) (variation) de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...) d'environ 0,1 mK et une polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation est le fait d'appliquer une tension pour créer du...) de l'ordre du microkelvin, pour une échelle angulaire d'un degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :). Son observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très...) et en particulier la quête des ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) gravitationnelles, mobilise de nombreuses équipes à travers le monde (Le mot monde peut désigner :). En effet l'anisotropie de température et la polarisation du CMB sont des signatures fortes pour comprendre l'Univers primitif. Les cosmologistes supposent que l'Univers a connu une période rapide d'inflation cosmique (L'inflation cosmique est un modèle cosmologique s'insérant dans le paradigme du Big Bang lors duquel une région de l'univers comprenant l'univers observable a connu une phase d'expansion très violente qui lui aurait...) au cours de sa première fraction de seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La...), se développant de façon exponentielle (La fonction exponentielle est l'une des applications les plus importantes en analyse, ou plus généralement en mathématiques et dans ses domaines...) à partir d'un volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) subatomique chaud et dense. De nombreux modèles d'inflation prédisent que cette accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique,...) rapide aurait généré des ondes gravitationnelles qui seraient restées suffisamment énergétiques 380 000 ans plus tard pour laisser une empreinte sur le CMB. C'est précisément cette empreinte que le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité de...) BICEP Array cherche à mesurer.

Depuis de nombreuses années, DSBT collabore sur cette thématique avec le Caltech et le JPL NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace ») plus connue sous son abréviation NASA, est l'agence gouvernementale responsable du programme...). Il a ainsi fourni (Les Foúrnoi Korséon (Grec: Φούρνοι Κορσέων) appelés plus communément Fourni, sont un archipel de petites îles...) une dizaine de cryoréfrigérateurs sub-kelvin pour une succession de projets. DSBT dispose d'un héritage solide dans le développement de ce type de refroidisseurs, en particulier pour des sites isolés en environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les...) hostile, pour lesquels la contrainte de fiabilité (Un système est fiable lorsque la probabilité de remplir sa mission sur une durée donnée correspond à celle spécifiée dans le cahier des charges.) prend une importance marquée. Pour ce nouveau projet BICEP Array, DSBT a développé une série de 5 cryoréfrigérateurs sub-kelvin tri-étagés permettant de refroidir des détecteurs à des températures inférieures à 300 mK. Ces systèmes utilisent des pompes à adsorption (L'adsorption, à ne pas confondre avec l'absorption, est un phénomène de surface par lequel des molécules de gaz ou de liquides se fixent sur les surfaces solides des adsorbants selon divers processus plus ou moins...) et un procédé de refroidissement par évaporation (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente de l'ébullition qui est une transition rapide. C'est un changement d'état appelé vaporisation.) d'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il ouvre la série des gaz nobles dans le tableau périodique des éléments. Son point d'ébullition est le plus bas parmi les...) 4 et 3, permettant d'extraire de la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) frigorifique à des températures de 220, 280 mK et 1,2 K. Outre les détecteurs, ces niveaux de température sont utilisés pour intercepter les charges parasites, refroidir des filtres et des écrans magnétiques. Complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant à l'utilisateur de limiter la...) autonomes et sans consommables, ils sont la dernière brique d'une chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) cryogénique constituée dans sa partie supérieure par un tube à gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme...) pulsé basse fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot...) bi-étagé délivrant de la puissance frigorifique à des températures de 45 et 4 K (Le 4K est un format de définition d’image, principalement utilisé pour le cinéma.) environ.

Un défi notable pour ce projet concernait les masses importantes à refroidir (26 kg à T < 300 mK) et donc la réduction des temps de refroidissement associés. Différents liens actifs et passifs ont ainsi été intégrés à la machine pour les limiter. Les essais sur site permettront de confirmer la validité des solutions choisies.

La première de ces machines a d'ores (ORES, l'Opérateur des Réseaux Gaz & Électricité est le l'opérateur des réseaux de distribution d'électricité et de gaz pour les 8 gestionnaires du...) et déjà été déployée sur la base Amundsen-Scott en Antarctique (L'Antarctique (prononcé [ɑ̃.taʁk.tik] Écouter) est le continent le plus méridional de la Terre. Situé au pôle...) où elle est en cours de tests. Trois autres, également livrées, suivront. La dernière machine, dont l'envoi est prévu dans les semaines à venir, demeurera au Caltech en Californie pour servir de banc de test.


Cryoréfrigérateur sub-kelvin tri-étagés du projet BICEP Array.

Note:
BICEP Array est un projet porté par de multiples partenaires essentiellement localisés en Amérique (L’Amérique est un continent séparé, à l'ouest, de l'Asie et l'Océanie par le détroit de Béring et l'océan Pacifique; et à l'est, de l'Europe et de l'Afrique par l'océan...) du Nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) (Harvard, Stanford, Jet Propulsion Laboratory (Le Jet Propulsion Laboratory (JPL), basé à Pasadena aux États-Unis, est une joint-venture entre la NASA et le Caltech qui est chargé de la construction et de la supervision des vols non-habités de la NASA.) (JPL NASA), California Institute of Technology (Caltech), NIST, Toronto, etc.)
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