En créant une puce qui maîtrise la lumière des étoiles, les scientifiques du CNRC facilitent la recherche de la vie sur les autres planètes

- Victoria, Colombie-Britannique

Ross Cheriton se tenant dans le laboratoire à côté de la table où est installé le prototype, avec un ordinateur et d'autres appareils à côté.

Ross Cheriton, chercheur au Centre de recherche Électronique et photonique avancées, avec la puce photonique et des pièces électroniques, près du prototype de la technologie d'optique adaptative REVOLT.

Les pièces du prototype en place sur le banc d'essai, vues du dessus.

Le prototype du système d'optique adaptative REVOLT destiné au télescope McKellar de l'Observatoire fédéral d'astrophysique (OFA), à Victoria (C.-B.).

Des chercheurs du Conseil national de recherches du Canada (CNRC) ont condensé la lumière d'une étoile dans le silicium sur isolant d'une puce photonique pour sonder l'atmosphère de planètes autour d'autres étoiles.

Dorénavant, la technologie de la puce en question, qui autorise déjà les transmissions ultrarapides sur Internet, pourrait aussi profiter à la recherche en astronomie, particulièrement dans une branche qui connaît une vive expansion : la recherche de la vie sur les exoplanètes de type terrestre (on appelle « exoplanètes » les planètes situées hors du système solaire.). Normalement, pour effectuer de telles recherches, on aurait besoin d'instruments encore plus grands que les gigantesques télescopes de prochaine génération. Malheureusement, ériger de tels instruments nécessite des sommes colossales et énormément de temps. C'est pourquoi on mise sur la découverte de nouvelles technologies qui repousseront les limites de la science et de la recherche.

Le problème a trouvé sa solution grâce à une approche inédite : la puce photonique en silicium du CNRC, mise au point au Centre de recherche en électronique et photonique avancées de concert avec le Centre de recherche Herzberg en astronomie et en astrophysique. Chacune de ces puces est fabriquée dans un but bien précis. Découvrir certains gaz sur les exoplanètes quand elles passent devant l'étoile qui les éclaire, par exemple. En d'autres termes, les instruments astronomiques de demain pourraient inclure de nombreuses puces similaires, selon les recherches astronomiques qu'on souhaite réaliser.

« On peut concevoir et fabriquer ces puces en quelques semaines ou mois, et ce, à faible coût », affirme Ross Cheriton, associé en recherche au Centre de recherche en électronique et photonique avancées. « De plus, à cause de leur stabilité supérieure, il arrive qu'elles donnent de meilleurs résultats que des instruments de plus grande taille. »

Kate Jackson se penchant avec précaution au-dessus du simulateur installé dans le laboratoire pour ajouter l'écran au banc du simulateur.

Kate Jackson, ingénieure en systèmes d'optique adaptative, installe un écran de phase atmosphérique dans le faisceau optique du simulateur NFIRAOS Herzberg (HeNOS), au laboratoire d'optique adaptative de l'Observatoire fédéral d'astrophysique (OFA), à Victoria (C.-B.).

Sur les puces photoniques avec silicium sur isolant, la lumière doit passer entre des guides d'onde presque 100 fois plus étroits qu'un cheveu. Malheureusement, quand elle pénètre dans l'atmosphère terrestre, la lumière des étoiles traverse plusieurs couches de turbulences qui brouillent l'image captée par le télescope, au sol. On corrige ces erreurs à l'aide d'un système d'optique adaptative. C'est pourquoi les scientifiques du CNRC ont entrepris depuis peu le projet REVOLT (acronyme de l'anglais Research, Experiment and Validation of Adaptive Optics with a Legacy Telescope ou « recherche, expérimentation et validation de l'optique adaptative avec un télescope classique »), un système qui sera installé sur le télescope McKellar de 1,2 mètre. « Cette technologie corrige la lumière stellaire quand elle est faussée, si bien que le télescope restitue une image focalisée à la limite de ses éléments optiques », explique Kate Jackson, spécialiste en optique adaptative au Centre de recherche Herzberg. « La quantité de lumière qui baigne la puce photonique s'en trouve considérablement augmentée. »

2 pièces d'équipement utilisées conjointement avec REVOLT sont installées sur un bureau du laboratoire. Les 2 pièces d'équipement affichent des valeurs numériques et des graphiques sur leurs écrans.

À droite, la puce photonique qu'alimente la fibre optique monomode de REVOLT. À gauche, les composants électroniques de la puce et du détecteur.

REVOLT dispose d'un système d'alimentation spécial qui maintient l'image de l'étoile en position, après correction, à l'extrémité de la minuscule fibre. Le système transfère la lumière de REVOLT à la puce. Après l'avoir captée, le banc d'essai REVOLT injecte la lumière émise par Bételgeuse, l'étoile rouge la plus brillante dans le ciel, la nuit, située à 1 350 années-lumière de la Terre, dans un guide d'onde photonique au moins 5 billions de fois plus petit que l'ouverture du télescope de 1,2 mètre, installé sur une puce!

Les premiers tests pratiques sur la nouvelle puce ayant été couronnés de succès dans des conditions réelles avec un télescope semblable à ceux utilisés par les astronomes professionnels, on a commencé à planifier les étapes subséquentes. Les travaux porteront désormais sur le perfectionnement de la technologie, ce qui permettra de déceler les signes de la vie que constitue la présence d'oxygène, de dioxyde de carbone, de méthane et d'autres gaz dans l'atmosphère des planètes gravitant autour d'autres étoiles. Les essais prouvent que les puces photoniques intégrées ont un brillant avenir devant elles en astronomie.

Trois chercheurs assis observent des images et des données sur 5 ordinateurs et moniteurs dans leur salle de commande.

Adam Densmore et Tarun Kumar, chercheurs au Centre de recherche Herzberg en astronomie et en astrophysique et Ross Cheriton, associé en recherche au Centre de recherche en électronique et photonique avancées, recueillent des données dans la salle de commande du télescope. La puce photonique et les pièces électroniques qui s'y associent sont visibles à gauche, alors que sur les écrans, à droite, on peut voir l'interface d'optique adaptative de REVOLT et l'image de l'étoile, après correction.

« La prochaine frontière consistera à effectuer une analyse à grande échelle des exoplanètes situées dans des systèmes stellaires très lointains, afin d'y chercher les signes de la vie », ajoute Ross Cheriton. « Il s'agira d'un formidable bond en avant dans la recherche de planètes analogues à la Terre et le désir de comprendre la place que nous occupons dans l'univers. »

À cette fin, le chercheur collaborera avec Adam Densmore, responsable du projet au Centre de recherche Herzberg en astronomie et en astrophysique, pour fabriquer une version plus poussée de la puce dont on se servira avec le système REVOLT dès cet automne. « Le prochain modèle exploitera un des principaux avantages de l'optique intégrée, à savoir la réunion de nombreux dispositifs sur une seule et même puce, déclare-t-il. De cette façon, l'instrument détectera simultanément plusieurs des gaz recherchés. » Le CNRC coopère aussi avec les astronomes de l'Université de Toronto (en anglais seulement) et de l'Université Queen's de Belfast pour déterminer les gaz les plus importants à découvrir et établir les exigences applicables à l'instrument.

L'équipe REVOLT du CNRC, de réputation internationale, se compose d'ingénieurs et de scientifiques spécialisés en optique adaptative, logiciels, optomécanique de précision et électronique.

« Cette collaboration illustre d'une manière formidable comment exploiter deux domaines dans lesquels le CNRC excelle, en l'occurrence la photonique et l'instrumentation en astronomie, afin de pousser la science à ses limites », affirme Jean-Pierre Véran, scientifique en chef de l'optique adaptative au Centre de recherche Herzberg en astronomie et en astrophysique. « À dire vrai, la collaboration à la base de cet exercice de prototypage n'est qu'une première étape qui nous permettra de procurer aux astronomes canadiens les capacités inégalées avec lesquelles ils mèneront à bien leurs travaux. »

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