Un essaim de robots pour élargir l’horizon de l’astrophysique

Capables de placer des fibres optiques avec une précision inédite, un millier de microrobots fraîchement sortis des laboratoires de l‘EPFL équiperont bientôt deux grands télescopes au Chili et aux Etats-Unis, promettant un bond dans le nombre de données récoltées, et donc dans notre compréhension de l’Univers.

L’Univers est en pleine croissance. Mais le phénomène est encore entouré de mystères. A quelle vitesse précise se déroule cette expansion? Pourquoi celle-ci s’accélère-t-elle, éloignant les différents objets célestes les uns des autres alors que la gravité devrait au contraire les rapprocher? Quel rôle les invisibles matière et énergie noires jouent-elles dans ce processus? Grâce à des microrobots conçus à l’EPFL, des réponses pourront certainement être apportées à ces questions, qui sont au cœur des recherches menées aujourd’hui en astrophysique.

Car les microrobots développés par les scientifiques de l’EPFL permettront de faire un véritable bond dans le nombre et la qualité des données récoltées, et donc dans l’avancée des connaissances sur le sujet. Cet ensemble de 1’000 petits robots, dont la fabrication vient de se terminer, vient tout juste d’être livré à l’Université de l’État de l’Ohio. Il équipera à terme les deux télescopes – l’«Irénée du Pont» situé à l’observatoire Las Campanas (de l’institution Carnegie pour la Science) au Chili, et le «Sloan» à l’observatoire Apache Point au Nouveau-Mexique, États-Unis – utilisés dans le cadre de la collaboration internationale «Sloan Digital Sky Survey» (SDSS), à laquelle l’EPFL prend pleinement part (Voir notre article paru en juillet 2020).

Ces positionneurs robotiques serviront à automatiser le placement des centaines de fibres optiques nécessaires pour orienter les yeux de ces télescopes vers les objets à observer. Il s’agit essentiellement de cibler des étoiles de notre galaxie – la Voie lactée. En caractérisant leurs propriétés lumineuses, il sera possible de calculer le «redshift» – soit le décalage vers le rouge – du spectre de galaxies voisines, abritant des trous noirs ou membres d’amas de galaxies et ainsi de déterminer leur distance. Ces mesures permettront de détailler un peu plus encore la carte en trois dimensions des étoiles et des galaxies dans l’Univers, l’un des objectifs principaux du SDSS.

Quelques-uns des microrobots durant leur assemblage. © 2021 EPFL

Travail de dentelle

Jusque-là, le positionnement des fibres optiques des télescopes SDSS était réalisé manuellement. C’était un pur travail de dentelle, long et fastidieux. Car, pour atteindre les objets cibles, des centaines de fibres optiques devaient être placées dans des trous, sur une grande plaque métallique. Et pas question de se tromper: pour assurer la plus grande netteté de l’observation désirée, l’emplacement de chaque fibre se mesurait au micron près.

Il fallait compter environ un mois pour déterminer les cibles, concevoir la plaque, la fabriquer, la percer et l’envoyer à l’observatoire. Puis 45 minutes à des mains expertes pour y introduire les mille fibres. Finalement, durant les nuits d’observation, le changement de plaque durait une vingtaine de minutes pendant lesquelles les observations n’étaient pas possibles. «Ces robots de fabrication suisse accélèrent considérablement ce processus, ouvrant la voie à une exploration spectroscopique du domaine temporel encore inédite et à grande échelle», s’enthousiasme Juna Kollmeier, directrice du projet SDSS-V.

Les robots devraient être opérationnels sur le télescope «Sloan» à l’automne prochain et sur le télescope «Irénée du Pont» début 2022.

Deux à trois fois plus d’étoiles

«Au-delà d’un gigantesque gain en termes de flexibilité et de précision, nous espérons aussi augmenter très nettement le nombre d’objets observés», commente Mohamed Bouri, chef du groupe REHAssist de l’EPFL, en charge de la conception et de la mise en œuvre des robots.

«Nous pourrons mener des observations plus courtes, et cibler deux ou trois fois plus d’étoiles ou de galaxies que précédemment, mais aussi faire des observations spectroscopiques d’objets variables, comme les explosions d’étoile», complète Jean-Paul Kneib, directeur du Laboratoire d’astrophysique de l’EPFL (LASTRO). 

Jean-Paul Kneib et Mohamed Bouri. © 2021 EPFL/ A.Herzog

Cette réalisation est le fruit du travail d’«Astrobots», dont le but est de favoriser les synergies entre les domaines de l’astrophysique et de la robotique à l’EPFL. Depuis 2013, ce groupe de recherche inter-facultaire développe des systémes robotiques pour améliorer l’efficacité des observations astronomiques. Fin 2019, en collaboration avec l’Université de Michigan et de Berkeley, l’équipe «Astrobots» avait déjà participé à la réalisation de 5’000 robots pour le projet le Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), destiné à mieux comprendre ce qu’est l’énergie sombre.

Nul doute qu’avec les projets DESI et SDSS, l’horizon des astronomes et des astrophysiciens va considérablement s’élargir, promettant pour les années à venir une carte de l’Univers encore plus riche et précise. Et ce n’est pas fini: les chercheurs de l’EPFL réfléchissent déjà à de nouvelles générations de microrobots, encore plus petits tout en gardant leur robustesse.

Conçu et validé à l’EPFL, les 1’000 robots ont été construits et assemblés par la société suisse « Micro Precision Systems » (MPS) utilisant les micromoteurs du groupe Faulhaber.

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