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Nos outils pour sonder l'univers L'informatique (VI)
L'informatique n'est pas à proprement parlé un outil pour sonder l'univers mais depuis quelques décennies cette technologie s'avère indispensable pour assister l'astronome dans le guidage des télescopes, le traitement des images ou des signaux électriques, la gestion des données et les simulations des phénomènes cosmiques. En effet, le substantif "micro" qualifie ce qui est petit. Paradoxalement on utilise des "micro-ordinateurs" pour étudier le cosmos, l'objet le plus vaste que l'homme ait jamais appréhendé ! A l'ère de l'électronique, de l'intégration à l'échelle ULSI véritablement microscopique et de l'informatique qui est en train d'envahir tous les domaines de notre vie, l'astronome et le physicien au sens large font un usage intensif des ordinateurs vectoriels et autre superordinateur pour comprendre les principes directeurs de l'Univers. Ne prenons qu'un exemple sur lequel nous reviendrons lorsque nous discuterons de la biographie de Stephen Hawking. La Faculté de Mathématiques de la prestigieuse Université de Cambridge (DAMTP) abrite depuis 1997 le superordinateur national de cosmologie COSMOS présenté ci-dessous. Il s'agit d'un superordinateur Silicon Graphics qui fut upgradé en 2004 et disposant aujourd'hui dans sa version COSMOS VI d'une configuration qui n'a d'équivalent que les superordinateurs de prévision météo NEC et autre Fujitsu capables de prévoir le temps n'importe où sur Terre à plusieurs jours d'avance ! Pourquoi une telle puissance ? Pour effectuer des calculs, un ordinateur a besoin d'un microprocesseur pour traiter les données et d'espace mémoire pour contenir à la fois son programme et l'ensemble de ses données, les variables et certains résultats. Moins il a de contraintes d'ordre physique (vitesse CPU, espace mémoire ou disque) moins il sera limité par ses ressources et plus facilement les programmeurs pourront l'utiliser pour développer leurs modèles numériques et simuler des processus très complexes, dont le traitement est avide de ressources. Pour atteindre cet objectif et permettre aux chercheurs de progresser dans leurs recherches, COSMOS VI est en fait constitué de trois unités : un serveur graphique SGI Onyx2 (à gauche de la 2eme image) équipé de 8 processeurs RISC R10000 de 250 MHz chacun tournant sous IRIX/MIPS et bientôt sous Linux/IA64; d'un superordinateur SGI Altix3700 (en jaune et noir) équipé de 152 processeurs cadencés à 1.3 GHz chacun, équivalent à 790 GFlops de puissance de traitement et disposant de 152 GB de mémoire vive (RAM); et enfin d'un système de stockage (l'unité en noir sur la droite) équipée de 5 TB de disques RAID5 (mirroring hardware) et d'un serveur de tapes DAT. Bref ce superordinateur porte bien son nom dans la mesure où il est environ mille fois plus performant qu'un ordinateur domestique. A titre de comparaison, parmi les superordinateurs ne tirant pas avantage du traitement distribué (comme SETI@home qui atteint 15 TFlops) l'Asci White d'IBM, un RS/6000 SP installé au LLNL, atteint la vitesse de 12.3 TFlops; il réalise plus de 12 milliards d'opérations par seconde ! COSMOS est environ 15 fois plus lent, quoique tout soit relatif.
Utilisé par le Consortium de Cosmologie Informatique (Computational Cosmology Consortium ou UK-CCC), COSMOS doit permettre aux théoriciens anglais de modéliser l'histoire de l'univers depuis les premières fractions de secondes après le Big Bang jusqu'à aujourd'hui, soit environ 15 milliards d'années d'évolution. Selon Hawking, responsable de l'UK-CCC, "L'ordinateur COSMOS nous permettra de calculer ce que nos théories sur l'univers primordial prédisent et de les tester par rapport aux nouveaux résultats observationnels qui sont à présent encodés". En parallèle, les physiciens se sont tournés vers les superordinateurs du Grand Challenge Cosmology Consortium (GC3). Ce projet américain qui vit le jour en 1993 est dirigé par Jeremiah Ostriker et rassemble des chercheurs, physiciens et informaticiens de six universités et plusieurs centres privés de recherches. Grâce à la puissance d'un superordinateur CRAY T3D ces chercheurs espèrent mieux comprendre comment se forma la structure de l'Univers à grande échelle. C'est ainsi que régulièrement nous découvrons dans les magazines des simulations sur ordinateur représentant les fluctuations quantiques des champs scalaires, l'influence de la matière sombre, chaude ou froide, sur la concentration de matière visible dans l'univers, la simulation de la densité d'énergie à différentes époques primordiales, 300000 ans ou 2 milliards d'années après le Big Bang, les intenses jets de rayonnement émis par les radiogalaxies ou les quasars voire carrément les propriétés hypothétiques des cordes cosmiques deux heures après le Big Bang ou des trous noirs tel celui probablement caché dans le système Cygnus X-1. Toutes ces simulations doivent aider les théoriciens à visualiser des états et des objets de l'univers autrement inaccessibles à leurs investigations. Ces modèles, comme les ombres de la réalité sont comparés aux résultats expérimentaux, le verdict de dame Nature tranchant souvent brutalement la question de leur conformité avec la réalité. La Faculté de Mathématiques de l'Université de Cambridge maintient également un groupe de recherche spécialisé dans la relativité générale et la gravitation (GRG). Elle s'intéresse de près à la supergravité, aux défauts topologiques ainsi qu'aux autres théories cosmologiques exotiques qui pourraient éventuellement déboucher sur une théorie unifiée (théorie des cordes, etc). Le traitement d'image Discutant informatique, rappelons que les ordinateurs sont également utilisés pour reconstituer les images enregistrées par les observatoires, qu'ils soient terrestres ou orbitaux, les sondes spatiales ainsi que les signaux radios captés par les radiotélescopes. Un télescope spatial comme SOHO dédié à l'observation du Soleil ou le célèbre Télescope Spatial Hubble (HST) ne fonctionne pas du tout comme un télescope optique ou même un appareil photo classique équipé d’un téléobjectif. Tout d’abord il n’y a pas de film. Il est remplacé par des photodétecteurs électroniques assemblés dans une caméra CCD (Dispositif à Transfert de Charge). Le photosite (pixel) convertit le rayonnement en signal électrique qui est stocké dans un espace mémoire. Le signal est ensuite transmis au sol par ondes radios ultra-courtes à l'une des paraboles du réseau DSN ou directement à une institution pour traitement. C’est ensuite l’ordinateur qui se charge de lire ce signal codé et de le restituer sous forme d’une image à l’écran.
Les images prises par Hubble sont enregistrées en noir et blanc à différentes longueurs d'ondes comprises entre 110 à 1100 nm (200-400 nm pour le ciel profond) à travers trois filtres colorés, respectivement bleu, vert et rouge. C’est au cours du traitement d’image effectué par la suite que l’image couleur est obtenue par synthèse additive des trois mêmes couleurs fondamentales. La
véritable couleur d’un objet céleste est très difficile à rendre, on y
reviendra dans l'article consacré à la vision
des couleurs. Si
l'image a été prise dans le spectre visible, elle dépend de la sensibilité spectrale du détecteur mais également de
l’indice de couleur de l’objet considéré et de la sensibilité rétinienne
de l’observateur. Quand l’image est enregistrée à partir du sol, se greffe
sur cette difficulté celle de l’effet de la pollution lumineuse et de la
brillance du ciel engendrée par les aurores et d’autres phénomènes naturels
produisant des raies d’émission que la caméra CCD peut détecter. Enfin, on
assume que l’écran de l’ordinateur présente une température de couleur
relativement neutre, proche de 9500 K; trop basse (~6500 K) l’image blanche aura une
dominante jaune, trop élevée (> 10000 K), elle présentera une domaine bleue.
Des sondes de calibration peuvent bien
sûr être utilisées pour équilibrer les canaux RGB. La
couleur joue un rôle important en astrophotographie. Elle est utilisée
dans trois cas particuliers : -
Pour décrire l’aspect naturel des objets céleste - Pour détecter des détails invisibles en lumière blanche -
Pour accentuer certains détails.
La couleur naturelle obtenue par synthèse additive permet de simuler les couleurs de l’objet comme si nous l’observions dans l’espace. Mais étant donné que généralement personne n'a été constater la conformité des couleurs in situ, parfois, au bout de quelques années, après avoir analysé des milliers d'images du même astre, les experts en traitement d'image du laboratoire MIPL de la NASA finissent par modifier la balance chromatique des anciennes images pour les rendre a posteriori plus conformes à la réalité, sans pour autant pouvoir l'affirmer. Ce fut notamment le cas pour les images de Mars prises par la sonde Viking et de Io prises par les sondes Voyager qui ont perdu 30% de leur saturation dans certaines couleurs. Les couleurs représentatives ou fausses couleurs permettent aux scientifiques de visualiser des détails de l'astre qui seraient autrement invisibles du fait qu’ils rayonnent l’essentiel de leur énergie en dehors du spectre visible (infarouge, radio ou rayons X par exemple). Enfin, les couleurs accentuées permettent par définition d’amplifier les couleurs d’une image afin d’accentuer le contraste de certains détails. On utilise notamment cette technique lorsqu'on prend des clichés sous filtres colorés bleu+rouge, comme cet exemple de la petite tache rouge junior de Jupiter, et plus rarement en RGB. L’utilisation de filtres additionnels à bande passante plus ou moins étroite permet également d’isoler certains rayonnements ou mode de propagation dans lequel l’astre présente une activité importante (hydrogène alpha, lumière polarisée, etc). Le traitement d'image permet enfin de rectifier des prises de vue de mauvaise qualité, voire carrément floues grâce à des algorithmes appliqués à l'image numérique. La technique la plus connue est le masque flou numérique et les technique de déconvolution. Développées pour extraire l'information ultime contenue dans les photographies d'espionnage puis appliquées aux applications civiles (astronomie, sécurité, etc), on les retrouve aujourd'hui dans tous les bons logiciels de traitement d'image (PhotoShop, Maxim DL, Iris, etc). Les détecteurs de particules De l'autre côté de l'échelle spatiale, l'astronome comme le physicien ont besoin d'étudier le microcosme de l'infiniment petit. En effet, le Soleil, une galaxie ou un trou noir obéit aux lois de la physique, des propriétés de la matière jusqu'à son niveau le plus élémentaire. Mais comment procéder pour étudier ce monde infinimement petit ? Le microscope, même électronique est insuffisant : il "voit" bien une molécule ou un atome, les ingénieurs peuvent même les manipuler individuellement, mais ce dispositif ne peut pas tracer les effets ou les interactions d'un choc entre particules par exemple et donc comprendre leur évolution, leur dynamique. En 1952, Donald Glaser inventa un dispositif de détection des particules qui allait ravir des promotions de chercheurs : la chambre à bulles, la fameuse "Gargamelle" longtemps utilisée au CERN à Genève. Dans le même esprit que la chambre à brouillard sursaturée, il s'agit d'une enceinte fermée et remplie d'hydrogène liquide sous pression. Au passage d'une particule chargée, un dispositif déclenche la détente de la pression qui règne dans la chambre, provoquant la libération d'ions par arrachement des électrons. Cette ionisation amorce la formation de petites bulles tout le long de la trajectoire de la particule. Ces bulles sont ensuite éclairées et photographiées pour permettre d'identifier la trace.
Ensuite on inventa une quirielle de détecteurs toujours plus sophistiqués comme la petite chambre multifils de Charpak, le scintillateur à Iodure de Césium (équipant le multidétecteur INDRA) et tout récemment le géant Atlas. Si la "chambre à bulle" permet de tracer le passage des ions et donc de suivre la trajectoire d'une particule, Atlas est beaucoup plus ambitieux. Il tire profit de détecteurs spécialisés, les uns sensibles aux photons ou aux électrons, les autres aux jets de particules hadroniques ou encore aux mésons émis et lancés à grande vitesse dans les accélérateurs de particules. Ici également, les signaux émis lors des expériences sont transmis à des ordinateurs qui reconstruisent les trajectoires et effectuent les premières mesures, comme dans cet exemple spectaculaire de collision frontale vue de profil entre deux faisceaux d'or de 30 milliards d'électrons-volts dans le détecteur STAR du collisionneur à ions lourds du BNL. On reviendra sur ces technologies et les découvertes qu'elles ont permises dans le dossier consacré à la physique quantique. En guise de conclusion
Avec tous ces outils hautement sophistiqués à leur disposition, les chercheurs praticiens comme théoriciens peuvent explorer l'Univers jusque dans ses derniers retranchements, à deux pas de la Création. Franchir ce seuil est aujourd'hui utopique faute de moyens et de théories adéquates. En effet, l'Univers primordial demeure encore inaccessible car l'essentiel du problème réside en-deçà de l'échelle de Planck où nos théories n'ont plus cours faute d'une formulation complètement aboutie. Observer, écouter, analyser, comprendre et tenter de reproduire l'évolution des objets qui peuplent l'Univers, qu'ils soient proches ou situés aux confins du cosmos, nous permettent de mieux comprendre comment l'Univers est passé d'un état très simple dans le passé à un état si complexe et structuré aujourd'hui. Grâce à tous ces instruments de haute technologie nous pouvons retracer l'histoire de cette évolution et écrire les pages de notre Univers. Un jour peut-être nous trouverons dans ce livre de la Création les réponses au pourquoi de l'Univers et de notre présence ici bas, deux questions qui demeurent malheureusement encore du ressort de la métaphysique. Comme le dit un proverbe turc, "la nuit est enceinte et nul ne connaît le jour qui va naître". Mais une chose est sûr, l'avenir sera passionnant, il brillera du reflet des ambitions humaines qui auront su porter jusqu'au ciel le savoir-faire des hommes pour éclairer nos esprits du savoir de l'Univers si longtemps recherché. Cette quête nous conduira aux confins du cosmos, un lieu inconnu et pourtant si convoité, le Saint Graal de la Création. Retour à l'Histoire de l'astronomie
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