DS10 - Défi des autres savoirs

Un imageur radio basses fréquences pour NenuFAR – NRI

NRI : Un imageur radio basses fréquences pour NenuFAR

Développement du mode imageur autonome du radiotélescope basses fréquences NenuFAR.

Objectifs scientifiques d’un imageur à moyenne résolution à très basses fréquences (10-85 MHz) :

Le projet NenuFAR a été développé à Nançay depuis 2014 pour couvrir pour la première fois à haute sensibilité la gamme 10-85 MHz, très peu explorée. Ce radiotélescope a été initialement conçu comme un beamformer, qui enregistre des cubes de données temps-fréquence-polarisation dans des faisceaux sensibles pointés vers les cibles étudiées, et une station géante du radiotélescope LOFAR (dans lequel NenuFAR sera également inséré) pour contribuer à l’imagerie du ciel à très haute résolution (~1«) dans la gamme 30-80 MHz. Il a alors été réalisé qu’un mode d’imagerie autonome de NenuFAR serait extrêmement précieux pour tenter de détecter le signal cosmologique de l’Aube Cosmique (antérieur à la formation des premières galaxies de l’Univers), et l’émission radio des exoplanètes magnétisées ou en interaction forte avec leur étoile parente. D’autres sujets comme l’étude de l’émission diffuse des galaxies et amas, et la détection des transitoires basse fréquence, en bénéficieront également. Enfin, l’exploitation d’un tel instrument, labellisé « éclaireur de SKA » et Infrastructure de Recherche du MESRI, constitue pour la communauté radio nationale une excellente préparation à l’exploitation du projet mondial SKA.

Avant le projet NRI, NenuFAR était constitué d’un ensemble dense de 96 réseaux de 19 antennes (dit « Mini-Réseaux » ; 56 étaient financés et en cours de construction), distribués dans un disque de 400 m de diamètre, et connectés à un récepteur « maître » assurant la numérisation des signaux, leur découpage en bandes spectrales, et leur sommation pour former des faisceaux sensibles (de ~1° d’ouverture). Pour réaliser des images, il était nécessaire d’ajouter un corrélateur pour effectuer les produit 2 à 2 des signaux des antennes. Ce corrélateur devait être alimenté par le récepteur « maître » et être inclus dans l’interface de pilotage du télescope. Une solution matérielle et logicielle devait être développée pour traiter efficacement le flux de données très volumineuses produites par l’imageur. Enfin, la sensibilité en imagerie d’un instrument de 400 m de diamètre à 10-85 MHz est fortement limitée par le bruit spatial dit de « confusion », lié à la résolution angulaire limitée (~1°). Il était donc prévu de lui ajouter plusieurs Mini-Réseaux d’antennes jusqu’à 3 km de distance du cœur, améliorant la résolution angulaire d’un facteur ~7 et réduisant ainsi le bruit de confusion d’un facteur ~50 (~72). Ces réseaux additionnels devaient être numérisés localement, et leur signaux synchronisés avec les signaux du cœur.

Résultats majeurs du projet :
Le projet a été réalisé conformément aux plans. Après une étude comparative, le nouveau corrélateur COBALT2 de LOFAR a été choisi et adapté à NenuFAR. L’infrastructure de 4 Mini-Réseaux distants a été préparée et 3 ont été construits et connectés (le 4ème le sera mi-2021). La réalisation des 2 derniers Mini-Réseaux distants requiert des travaux de génie civil plus importants que prévus, pour lesquels des financements complémentaires sont recherchés. Les machines et pipelines de traitement ont été mises en place, permettant de réduire efficacement les données. Les images de « 1ère lumière » (cœur seul) on été réalisées et publiées. Les images de 2ème lumière, incluant les Mini-Réseaux distants, viennent d’être obtenues (voir Figure 1). Le NenuFAR-Radio-Imageur est pleinement opérationnel. En parallèle, le cœur de NenuFAR est passé à 80 Mini-Réseaux, les programmes scientifiques en imagerie ont démarré, et la France a décidé de son engagement dans SKA.

Le 4ème Mini-Réseau distant est en cours de construction. La réalisation des 2 derniers Mini-Réseaux distants requiert des travaux de génie civil plus importants que prévus, pour lesquels des financements complémentaires ont été obtenus (ERC Advanced Grant de P. Zarka). Les images de 2ème lumière vont être publiées dans la revue «Contact« de SKA. Les programmes scientifiques en imagerie prennent leur essor.

Production scientifique depuis le début du projet :
Les images de « 1ère lumière » ont été publiées dans le Bulletin SKA-France et sur le site web d’ASTRON (LOFAR). Les résultats de 2ème lumière seront publiés en juin 2021 dans le magazine international SKA-Contact #8 et sur le site web de l’Observatoire de Paris. L’article décrivant NenuFAR et le radio imageur est en préparation. Le projet « Aube Cosmique » prépare ses premières publications. Le mode NenuFAR-Radio-Imageur a déjà été utilisé pour plusieurs stages de formation d’étudiants (Master).

LOFAR (le réseau basses fréquences Européen) est le premier des radiotélescopes de nouvelle génération du 21ème siècle, qui culmineront avec SKA (le réseau d’1 km2) à partir de 2020. NenuFAR est une extension géante de LOFAR, et c’est aussi un puissant radiotélescope basses fréquences (BF) autonome dans la gamme 10-85 MHz. Sa construction a démarré en 2014 à Nançay, soutenue par le CNRS/INSU, l’Observatoire de Paris, l'Université d'Orléans/OSUC, et le consortium FLOW. NenuFAR est un réseau d’antennes compact (400 m de diamètre) connecté aux récepteurs de LOFAR ainsi qu’à un numériseur+beamformer local (synthétisant des faisceaux orientables de 200 kHz de bande, jusqu’à une bande totale maximum instantanée de 150 MHz).
Nous proposons ici de faire également de NenuFAR un puissant imageur basse-fréquence avec une résolution angulaire de ~7’, en lui ajoutant un corrélateur temps réel, de la puissance de calcul en temps différé, du stockage massif, et 6 mini-réseaux (de 19 antennes) jusqu’à une distance de 3 km du coeur compact. Ces extensions réduiront considérablement le bruit de “confusion” (qui limite la sensibilité en imagerie de l’instrument) jusqu’à environ le bruit thermique. Les objectifs scientifiques qui bénéficieront grandement de l’utilisation autonome de NenuFAR comme un imageur incluent:
(a) en imagerie multi-fréquences avec un long temps d’intégration: la détection du signal HI cosmologique des “âges sombres” et de l'"aube cosmique"de l’Univers avant la réionisation, la recherche systématique sensible de la signature radio BF d’exoplanètes et d’interaction étoile-planète, pour lesquelles il n’y a encore aucune détection certaine, et celle des rémanences radio des phénomènes cataclysmiques générant les ondes gravitationnelles et les sursauts Gamma ;
(b) en mode d’imagerie instantanée: la recherche systématique, à grande sensibilité, des transitoires radio rapides dans un grand champ de vue, incluant l’émission prompte associée aux ondes gravitationnelles, mais aussi pulses géants de pulsars, RRATs, sursauts radio rapides, et sursauts radio stellaires et exoplanétaires ;
La détection et l’étude de ~10^5 sources galactiques et extragalactiques, incluant leur émission BF diffuse, sera également possible.
Pour les sujets (a) et (b), l’imageur radio basses fréquences NenuFAR (NRI) sera le plus puissant instrument existant avant SKA dans sa gamme de fréquences (plus puissant que LOFAR et le LWA), combinant une grande sensibilité instantanée, une bande spectrale instantanée très large, une bonne résolution angulaire, et la mesure de la polarisation complète des ondes reçues. Ses performances en imagerie qui s’ajouteront aux capacités de NenuFAR comme beamformer et comme “Super Station” LOFAR (LSS) feront de NenuFAR un instrument radio basses fréquences du 21ème siècle vraiment unique. Après 2020, NenuFAR restera complémentaire à SKA en termes de gamme spectrale couverte et d’hémisphère observable. La France a une grande expertise en algorithmes d'imagerie, calibration, déconvolution, et déparasitage radio BF, qui seront appliqués à et optimisés pour le NRI, préparant du même coup l'exploitation de SKA. NenuFAR a reçu du SKA Office le statut officiel de précurseur de SKA, pour l'expréience qu'il apportera en termes de design et d'opération. Le NRI contribuera à l’organisation et au développement de la communauté radio basses fréquences Française - qui ont démarré avec l’écriture collective d’un argumentaire scientifique par 80 scientifiques Français et Internationaux -, renforçant son rôle et son influence en Europe. Le NRI est fortement soutenu par la prospective CNRS/INSU, le haut conseil des TGIR, le “Conseil Stratégique de Direction” de Nançay, et a été labellisé “Infrastructure de Recherche” par le MESR. Le projet d’imageur NenuFAR inclut un volet “Vulgarisation” sous la forme d’un projet artistique intégré à l’instrument, et qui accroîtra l’intérêt du public pour cet instrument.

Coordinateur du projet

Monsieur Philippe Zarka (Laboratoire d'Etudes Spatiales et d'Instrumentation en Astrophysique)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics
SKA/MeerKAT office
Institut de Radioastronomie
Lagrange Laboratoire J-L Lagrange
CRAL Centre de recherche astrophysique de Lyon
Kapteyn Astronomical Institute
PRISME UPRES 4229 LABORATOIRE PLURIDISCIPLINAIRE DE RECHERCHE EN INGÉNIERIE DES SYSTÈMES, MÉCANIQUE ET ENERGÉTIQUE
APC Astroparticule et Cosmologie
LERMA Laboratoire d'étude du rayonnement et de la matière en astrophysique et atmosphères
USN Station de Radioastronomie de Nançay
AIM Astrophysique, Interpretation - Modélisation, Paris-Saclay
LESIA Laboratoire d'Etudes Spatiales et d'Instrumentation en Astrophysique
LPC2E UMR 7328 Laboratoire de physique et chimie de l'environnement et de l'Espace
GEPI Galaxies, Etoiles, Physique, Instrumentation

Aide de l'ANR 677 986 euros
Début et durée du projet scientifique : - 24 Mois

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