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La cartographie de l’univers en radio, à travers l’observation de la raie à 21 cm de l’hydrogène atomique (HI), constitue une approche complémentaire aux relevés optiques pour l’étude des grandes structures, notamment des oscillations acoustiques baryoniques (BAO). Le défi consiste à extraire le signal cosmologique, d’une amplitude inférieure au mK, en présence des avant-plans ayant une intensité plusieurs milliers de fois supérieure et d’un bruit instrumental, caractérisé par la température Tsys, de quelques dizaines de Kelvin. La réduction du bruit instrumental se fait grâce à des temps d’intégration longue, quelques heures pour chaque direction du ciel. La séparation des composantes ou soustraction des avant-plans se fonde sur l’absence de structuration en fréquence des avant-plans à l’échelle des quelques MHz.  Des réseaux interférométriques denses, observant en mode transit sont les instruments adaptés aux relevés de cartographie d’intensité. Les analyses se font en général dans le domaine spatial de Fourier, dans lequel (k⊥ , k∥) correspondent aux nombres d’onde ou fréquences spatiales dans le plan transverse et selon la direction radiale, qui correspond au redshift.

Les études proposées seront principalement menées dans le cadre de la collaboration internationale Tianlai, menée par le NAOC (National Astronomical Observatories – Chinese Academy of Sciences).

Deux instruments interférométriques ont été construits pour Tianlai sur un site dédié, à Hongliuxia dans la province de Xinjiang (Chine) : un réseau de 3 cylindres (15m x 40m chacun), et un réseau dense de 16 réflecteurs de 6m de diamètre chacun. Des observations sont effectuées avec ces deux instruments depuis plusieurs années. Le réseau des 16 antennes présente l’avantage de permettre d’observer selon différentes déclinaisons, et vers le pôle nord céleste en particulier. Il est donc possible de mener un relevé profond sur une petite surface du ciel afin d’atteindre les sensibilités nécessaires pour le signal 21 cm extragalactique. Les deux instruments sont actuellement équipés avec des récepteurs sensibles dans la bande de fréquence 700-800 MHz, adaptée à un signal cosmologique autour du décalage vers le rouge z ~ 1, ainsi que d’un système de détection des signaux radio transitoires (FRB – Fast Radio Burst). Il est prévu de modifier les filtres électroniques des récepteurs du réseau de paraboles dans les prochains mois afin d’observer dans la bande 1300-1400 MHz, autour de z=0 – 0.1 . La sensibilité de l’instrument serait alors suffisante pour observer le signal à 21cm des grandes structures.

Par ailleurs, FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical Radio Telescope) est le plus grand radio télescope au monde composé d’un seul réflecteur de 500 mètres de diamètre, construit dans une dépression naturelle de la province de Guizhou en Chine. Un des programmes d’observation est piloté par nos collaborateurs de Tianlai et est dédié à la cartographie d’intensité. Il utilise le récepteur en bande L, équipé de 19 cornets, couvrant la bande de fréquence 1050-1450 MHz, découpée en trois sous-bandes.

A plus long terme, des programmes de cartographie d’intensité à 21cm pourront être menés avec les instruments de nouvelle génération SKA. Deux très grands radiotélescopes sont en effet en cours de construction par l’observatoire international SKAO (SKA: Square Kilometre Array) et devront être opérationnel en 2028. L’instrument basse fréquence (SKA-LOW), qui couvre la bande de fréquence 50-350 MHz est situé en Australie et est plutôt orienté vers la recherche du signal de l’époque de réionisation (EoR). Le second instrument, SKA-MID, situé en Afrique du Sud, sera composé d’environ 200 réflecteurs d’une quinzaine de mètres de diamètre chacun, couvrant la bande de fréquence 350 MHz-15GHz.