[tel-00726959, v1] CaractÃ©riser le milieu interstellaire ... - HAL - INRIA

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2. aspects instrumentaux2. aspects instrumentauxtel-00726959, version 1 - 31 Aug 2012Les budgets et les calendriers associés à ces projets sont très diérents et parfois mal déterminés car ilspeuvent demander une phase de recherche et développement importante.Bien que les projets soient en cours de dénition, il est néanmoins important de rappelerqu'ALMA a vocation à évoluer de manière signicative après sa construction. Dans ce cadre, laFrance doit encourager les laboratoires français et l'IRAM à conserver leur importante expertise matérielleet logicielle en radio-astronomie millimétrique. En eet, il est important pour la communauté françaised'anticiper sur des bases scientiques et techniques l'évolution d'ALMA. Ceci permettra d'avoir un rôlemoteur dans cette évolution, ce que l'expertise française a déjà permis pour les phases de conception et deconstruction d'ALMA 2 . Ceci est d'autant plus essentiel que pour la première fois dans le projet ALMA, lanotion de temps garanti pourrait éventuellement être associée aux appels d'ores générés par les évolutionsd'ALMA après 2013 (possibilité mentionnée par L.Testi, European Project Scientist, lors des journées ASAà Grenoble).2.2 Le projet NOEMA d'extension de l'interféromètre du Plateau de BureALMA sera un instrument unique de par ses possibilités submillimétriques et de très grande résolutionangulaire (la plus grande ligne de base faisant 14 km). Il est prévu qu'ALMA passera au maximum 25%de son temps d'observation (cad 3 mois par an) dans le domaine millimétrique (longueur d'onde entre 3et 1mm) et dans des congurations compactes (cad ayant une ligne de base maximum inférieure à1.6 km) 3 . En considérant la fraction française d'ALMA (environ 6%), on obtient 1.5% ou 6 jours par anpour faire de la science millimétrique à résolution angulaire moyenne (entre 0.2 et 2). Une fractionmajeure du coût d'ALMA ainsi que son plus fort potentiel de découverte scientique vient principalementde ses capacités submillimétriques (site à très haute altitude, très grande qualité de surface d'antenne) etde ses capacités de très haute résolution angulaire. Cela conduit à penser que les estimations de tempsci-dessus sont des limites largement supérieures car elles extrapolent la science faite aujourd'hui avec desinstruments principalement millimétriques aux résolutions angulaires limitées.Le domaine millimétrique est scientiquement crucial car il contient notamment la plupart des transitionsfondamentales des molécules observées dans le milieu interstellaire froid (e.g. disques protoplanétaires,coeurs pré-stellaires, nuages moléculaires dans les galaxies, etc...). Le domaine millimétrique est aussi essentielpour la découverte et l'étude des sources à grand redshift, en continuum de par l'eet de la correctionK inverse, et en raies de par le redshift. Par ailleurs, il n'y a pas pour l'instant de provision pour des legacy surveys sur ALMA parce que l'ensemble des thématiques scientiques doivent pouvoir bénécierdès le début de l'opération du changement de domaine de paramètre exploitable par ALMA (résolution,longueur d'onde). Ces arguments soulignent la nécessité d'avoir, en complémentarité avec ALMA, un instrumentdédié aux études systématiques dans le domaine millimétrique avec une sensibilité similaire à celled'ALMA.L'interféromètre du Plateau de Bure (PdBI) est aujourd'hui le meilleur interféromètre millimétriqueau monde. Améliorer un interféromètre peut se faire de quatre façons diérentes : 1) augmenter le nombred'antennes, 2) augmenter la longueur de la plus grande ligne de base, 3) augmenter la bande passante totaledes récepteurs, 4) passer de récepteurs mono-pixels à des récepteurs multi-pixels. Le projet NOEMA viseà faire de PdBI un instrument complémentaire à ALMA en jouant simultanément sur les trois premièrespossibilités : doubler le nombre d'antennes de 15 m (de 6 à 12, impliquant un doublement de la surface collectriceet meilleure qualité d'imagerie par quadruplement du nombre de lignes de base) ; doubler la plus grande ligne de base (de 800 à 1600 m) et donc de doubler la résolution angulaireactuelle ;2 Au contraire de NRAO, l'ESO a peu de connaissance en radio-astronomie (sub)-millimétrique. L'essentiel de la constructiond'ALMA en Europe est donc sous-contracté par l'ESO à des instituts spécialisés en radio-astronomie. En France, il s'agitde l'IRAM/Grenoble, du LERMA/Paris et du LAB/Bordeaux3 Le Design Science Reference Plan indique en eet qu'ALMA passera environ 55% du temps d'observation à faire desobservations millimétriques(cf. http ://www.eso.org/sci/publications/messenger/archive/no.131-mar08/messenger-no131-46.pdf). Par ailleurs, les28 congurations d'ALMA (dont 14 congurations compactes ) tourneront avec une périodicité de 18 mois au rythmetypique d'un changement d'antenne par jour. Il est donc possible d'estimer qu'ALMA passera au plus 50% de son temps dansdes congurations compactes . En multipliant les deux pourcentages, on obtient 27.5%42. aspects instrumentauxEn raie, la sensibilité de NOEMA sera 36% de celle d'ALMA, ce qui implique qu'ALMA sera 8 fois plusrapide pour des raies individuelles. Cependant, pour les surveys de raies, ALMA sera seulement 4 fois plusrapide parce que la bande passante de NOEMA sera 2 fois plus large que celle d'ALMA et contiendradonc 2 fois plus de raies. Compte tenu de la fraction de temps maximum (25%) passée par ALMA enmillimétrique à résolution moyenne , NOEMA aura donc une production annuelle au moins comparabledans ce domaine de paramètres. En pratique, NOEMA sera ainsi l'instrument de choix pour des étudessystématiques (de type "surveys") dans les bandes millimétriques (3, 2 et 1 mm). On peut citer parexemple : la détection et l'étude de populations de galaxies normales à grand redshift, la détection etl'étude la fonction de masse des proto-naines brunes (origine de l'IMF), l'étude des cycles de la matière(gaz et poussière) dans diérents environnements (turbulents, chocs, PDRs, ...).En résumé, le projet NOEMA ore donc à la communauté un instrument indispensable,dédié aux longueurs d'onde millimétriques à des résolutions intermédiaires entre une antenneunique (du type IRAM-30m) et ALMA. Par contraste, ALMA est un instrument très exible (8bandes de récepteurs, 28 congurations), devant servir une communauté pratiquement mondiale, et dontle potentiel de découverte est d'abord déterminé par ses aspects uniques, à savoir le submillimétrique etla très haute résolution angulaire. La sensibilité de NOEMA est proche de celle d'ALMA, donnant à lacommunauté française une puissance d'observation millimétrique au moins égale (dans l'hémisphère nord)à résolutions angulaires comprises entre 0.2" et 2". NOEMA est donc un projet qui est un complémentidéal de l'EVLA aux longueurs d'onde centimétriques et d'ALMA aux longueurs d'onde submillimétriques.Enn, c'est un projet qui permet à la communauté française de garder une expertise matérielle, logicielleet scientique, mondialement reconnue aujourd'hui comme l'indique son implication importante dans laconstruction d'ALMA.1001010.10.01TodayPdBINOEMAVitesse relativeMB PdBI(4x4)MBNOEMAALMAContinuum and/ormultiline mappingSingleline mappingContinuum and/ormultiline PointingSingleline Pointing(4x4)Fig. 1 Vitesses relatives de diérents instruments dont les caractéristiques sont dénies dans le tableauci-dessous, où D est le diamètre des antennes, Nant le nombre d'antennes, Nbas le nombre de lignes debase, Npix le nombre de pixels et B la bande passante totale disponible. La vitesse relative est déniecomme l'inverse du temps qu'il faut pour atteindre la même sensibilité par point observé du ciel : en modepointé, elle est proportionnelle à B Nbas D 4 ; en mode d'imagerie grand champ, elle est proportionnelle àB Npix Nbas D 2 . Les vitesses ont été normalisées par les performances de NOEMA.Single beamMulti beamsToday PdBI NOEMA ALMA PdBI (4 × 4) NOEMA (4 × 4)D [m] 15 15 12 15 15Nant 6 12 50 6 12Nbas 15 66 1225 15 66Npix 1 1 1 16 16B [GHz] 8 32 16 8 8 d'utiliser une instrumentation innovante, en particulier une nouvelle génération de récepteurs quiquadruple la bande passante totale (de 8 GHz à 32 GHz), impliquant une sensibilité 4 fois plusgrande en continuum et la possibilité d'observer simultanément 4 fois plus de raies.Ces options sont techniquement réalistes : en particulier, des prototypes de tels récepteurs existent déjàaujourd'hui à l'IRAM. NOEMA et ses possibles améliorations sont dans la continuité des développementstechnologiques qui ont conduit l'IRAM à installer 3 générations de récepteurs et 4 générations de corrélateursà Bure depuis 1990. Le coût total du projet NOEMA est 43 Meuros dont entre 8 et 16 Meurosnancés par la France (suivant le résultat de la campagne actuellement en cours pour obtenir des fondsprivés), cad un coût moindre que le budget de fonctionnement d'ALMA pour une seule année.Pour des raisons de design et de site, NOEMA sera dédié à l'étude du domaine de longueur d'ondemillimétrique (3mm, 2mm et 1 mm) à des résolutions angulaires comprises entre 0.2" et 2" avec unerotation rapide entre congurations (de l'ordre de 6 mois). En mode pointé et en continuum, la sensibilitéde NOEMA sera la moitié de celle d'ALMA, ce qui implique qu'ALMA sera 4 fois plus rapide (cf. gure 1).A5A. des multi-pixels à bure : une suite logique au projet noemaAppendiceDes multi-pixels à Bure : une suite logique au projet NOEMALa vitesse d'imagerie grand-champ de NOEMA (dénie comme l'inverse du temps qu'il faut pouratteindre la même sensibilité par point observé du ciel) est aussi commensurable avec celle d'ALMA (cf.gure 1). Pour atteindre la même vitesse d'imagerie grand-champ sans changer le nombre d'antennes àBure, il faut remplacer les récepteurs mono-pixels par des récepteurs d'au moins 16 pixels dans le planfocal des antennes de l'interféromètre. Outre le fait qu'un multi-pixel n'augmente que la vitesse d'imageriegrand-champ et non la vitesse d'imagerie en mode pointé, la dénition de vitesse d'imagerie grand-champdonnée ci-dessus oublie un aspect essentiel en interféromètrie, à savoir la qualité d'imagerie obtenue. Celleciest directement liée à la couverture du plan uv. La gure 2 compare la couverture du plan uv obtenueen conguration compacte pour le Plateau de Bure actuel (6 antennes) et pour NOEMA (12 antennes) en12 heures d'observation. Le quadruplement du nombre de lignes de base permet à NOEMA d'obtenir unerésolution angulaire deux fois plus ne avec une couverture du plan uv bien plus complète.Conscient du potentiel des récepteurs multi-pixels pour l'imagerie grand-champ, l'IRAM a une politiquede recherche et développement oensive dans ce domaine depuis plus de 10 ans. Cela a conduit à laréalisation d'HERA (récepteur de 18 pixels installé à l'IRAM-30m). Et cela se traduit aujourd'hui par desprogrammes de R&D en cours tant au niveau matériel pour miniaturiser les mélangeurs (FP7 AMSTAR+)qu'au niveau algorithmique pour mettre en oeuvre le mode d'observation interféromètrique grand-champ,dit On-The-Fly (FP6 ALMA Enhancement). Par ailleurs, la taille des cabines des antennes de Burepermet d'abriter à la fois des récepteurs mono-pixels, multi-fréquences, et un récepteur multi-pixel, monofréquence,donnant une exibilité scientique similaire à celle de l'IRAM-30m d'aujourd'hui. Enn, letransport du signal et le corrélateur de NOEMA, représentant une fraction majeure du coût de tout projetinterféromètre, permettent de traiter soit 32 GHz de bande passante pour un mono-pixel, soit 32/N GHzde band passante pour un récepteur de N pixels.Le projet NOEMA permet donc de gagner un facteur 16 en vitesse d'observation par rapport au PdBId'aujourd'hui (cad l'équivalent d'un récepteur de 16 pixels). Le projet NOEMA fournit en plus un gainen sensibilité en mode pointé et en qualité d'imagerie (couverture du plan uv). Tout cela pour un coûtenviron 2 fois plus grand que le coût estimé (environ 20 Meuros) de l'installation d'un récepteur de 16pixels et du corrélateur associé sur les 6 antennes déjà existantes à Bure. La réalisation de multi-pixelsest une suite logique au projet NOEMA que les actions de R&D entreprises aujourd'hui permettront demener à bien à terme, d'autant plus que la loi de Moore permet de gagner un ordre de grandeur tous les6 ans dans la corrélation numérique des signaux.67
A. des multi-pixels à bure : une suite logique au projet noematel-00726959, version 1 - 31 Aug 2012Fig. 2 Couverture uv (colonne gauche) et lobe sale associé (colonne droite) pour une source à 45degrés de déclinaison et pour la conguration D de PdBI (haut, 12 heures d'intégration), l'associationdes congurations CD de PdBI (milieu, 24 heures d'intégration) et la conguration D de NOEMA (bas,12 heures d'intégration). Le quadruplement du nombre de lignes de base entre PdBI et NOEMA permetd'augmenter la résolution d'environ un facteur 2 tout en obtenant un lobe sale de bien meilleure qualité.La qualité d'imagerie de NOEMA est même meilleure que la combinaison des congurations C et D dePdBI, combinaison qui requiert un doublement du temps d'intégration.8
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