Un œil tourné vers le ciel

Ken Tapping, le 11 septembre 2013

L’œil humain est un chef-d’œuvre de la nature. Sa structure de base, que nous partageons avec la majeure partie du règne animal, est le résultat de millions d’années d’évolution. Il n’est donc pas surprenant qu’il nous ait fallu aussi longtemps et autant d’efforts pour concevoir une technologie équivalente, malgré la connaissance poussée de l’objet que nous cherchions à reproduire. L’un des grands projets en cours à l’Observatoire de Penticton porte sur la mise au point d’une technologie capable de décoder les images formées d’ondes radio de la même façon que notre œil décode les images composées de photons lumineux.

Notre œil est formé de deux éléments fondamentaux : une lentille où converge la lumière et qui sert à projeter une image, et un faisceau de capteurs qui convertissent l’image en signaux assimilables par notre cerveau. Comme chaque capteur mesure l’intensité lumineuse et la couleur d’un point précis à l’intérieur de l’image, plus les capteurs sont nombreux, plus l’image perçue sera détaillée.

Notre première tentative d’émulation de la nature nous a donné l’appareil-photo. La lentille d’un appareil-photo projette une image sur une pellicule de plastique ou de verre enduite d’une émulsion chimique sensible à la lumière. Exposé à la lumière, chaque grain de l’enduit chimique se modifie selon l’intensité lumineuse qu’il reçoit. Il fallait toutefois attendre que la pellicule soit développée pour révéler l’image. Nous étions encore loin de l’imagerie en temps réel.

L’invention de l’appareil-photo numérique a marqué un grand progrès. Dans cette technologie, l’image est projetée sur un faisceau de capteurs électroniques, qui la lisent, la traitent et la traduisent immédiatement en image qui s’enregistre dans un fichier électronique. Le plus petit élément distinct d’une image s’appelle un « pixel »; plus une image comporte de pixels, plus elle est détaillée. Les appareils numériques modernes ont des capteurs comportant plus de 12 millions de pixels, soit 12 mégapixels, et leur nombre ne cesse de s’accroître.

Même si les ondes radio sont semblables aux ondes lumineuses, quoique plus longues, il nous a fallu longtemps pour concevoir un équivalent radio de l’appareil-photo numérique, voire de l’œil humain. Nous y travaillons toutefois dans le cadre de la contribution du Canada à un vaste projet de radiotélescope international appelé le Square Kilometer Array.

Comme les ondes radio sont beaucoup plus longues que les ondes lumineuses, il faut des appareils beaucoup plus grands pour les convertir en images. Les lentilles nécessaires seraient trop grosses et trop lourdes, et comme elles doivent être transparentes, elles ne pourraient être supportées qu’à leur périphérie. Heureusement, nous pouvons utiliser des miroirs convexes au lieu de lentilles, mais comme l’image se forme devant le miroir, les capteurs placés en amont bloquent une partie de la lumière atteignant le miroir. En revanche, les ondes lumineuses ou radio n’ayant pas à traverser le miroir, celui-ci peut être supporté de l’arrière. C’est pourquoi les antennes paraboliques sont la norme en radioastronomie, en plus d’être facilement surdimensionnables.

Les faisceaux de capteurs que nous développons à l’Observatoire sont formés de plusieurs petites antennes disposées en formation serrée et compatibles avec une large gamme de radiofréquences. Cette configuration a cependant été difficile à réaliser. Vus de l’avant, les faisceaux d’antennes paraissent simples, et ressemblent à un réseau de tubes à section carrée collés les uns sur les autres. La complexité de la configuration se révèle lorsqu’on la regarde de côté. Comme il serait impensable de faire courir des centaines de fils au dos des antennes, les signaux doivent être traités directement sur place. C’est pourquoi les antennes sont dotées sur leur face arrière d’un assemblage complexe de composants électroniques servant à traiter le signal, dont des ordinateurs. À la base, ces instruments sont destinés à l’observation astronomique, mais ils auront plusieurs autres utilités, notamment dans le domaine des radars, de la télédétection et de l’élimination des interférences. Il s’agit d’un excellent exemple d’application technologique dérivée à laquelle peut aboutir la recherche scientifique.