Le (en abrégé SKA, en français « Réseau d'un kilomètre carré ») est un projet de radiotélescope géant, de surface collectrice équivalente d’un kilomètre carré (comme son nom l'indique), constitué de plusieurs réseaux interférométriques dans les longueurs d'onde métriques et centimétriques. SKA a été conçu par un consortium scientifique international pour étudier des questions scientifiques essentielles allant de la naissance de l'Univers aux origines de la vie.
Son déploiement est prévu successivement sur deux sites, en Afrique du Sud puis en Australie :
la Phase 1 (SKA1), dont le coût estimé est de 674 M€ (en valeur 2016). La construction a démarré le , pour une mise en service à l'horizon 2028, consiste à installer environ 10 % du réseau final, sous forme d'environ 200 télescopes paraboliques situés en Afrique du Sud (SKA1-MID), et de 130 000 antennes phasées fixes travaillant aux basses fréquences dans l'ouest de l’Australie (SKA1-LOW). SKA1 représentera un saut qualitatif immense par rapport aux instruments existants, et permettra des avancées décisives dans toutes les thématiques de l'astrophysique et de la physique modernes, comme la cosmologie, l'origine des champs magnétiques cosmiques, le milieu interstellaire, la formation des étoiles aux différentes époques de l'Univers, les ondes gravitationnelles, etc. la Phase 2 (SKA2) est envisagée pour les années 2030. Dans cette configuration finale, SKA2 sera l'instrument ultime de la radioastronomie basse fréquence du .
Dès la phase 1, SKA sera l'une des plus formidables machines jamais déployées par l'homme, et de loin la plus impressionnante sur le plan du débit de données et de la puissance de calcul engagée. Comparé au Very Large Array (VLA)Site web du Jansky Very Large Array, le meilleur instrument actuel dans cette gamme de fréquences, SKA1-MID aura une résolution 4 fois supérieure, sera 5 fois plus sensible, et 60 fois plus rapide pour couvrir de grands champs (mode survey). De même, SKA1-low sera 8 fois plus sensible et 125 fois plus rapide que LOFAR, le meilleur instrument actuel dans la gamme des basses fréquences de SKA.
SKA observera les ondes radio de basse fréquence, et couvrira une gamme de longueurs d'onde sans précédent, allant d'environ 50 MHz (6 m de longueur d’onde) à plus de 20 GHz (1,5 cm de longueur d’onde). Cette gamme importante, comparable à l’ensemble X mous – UV – visible – proche infrarouge, ainsi que le gain attendu en matière de vitesse de relevé et de qualité d'image par rapport aux radiotélescopes actuels, donnera accès à une science transformationnelle aux longueurs d'onde centimétriques et métriques.
En Europe, SKA est reconnu comme une infrastructure de recherche majeure et un projet phare de l'European Strategy Forum on Research Infrastructures (ESFRI)..
Organisation Le projet est actuellement piloté par l’Organisation SKASKAO, une société internationale britannique à but non lucratif, dont le siège est situé à l'Observatoire de Jodrell Bank au Royaume-Uni..
Après l'adhésion de l'Espagne le ., les membres de l'organisation SKA étaient au nombre de 11, ils sont maintenant 14. La Suisse y a été admise le , une admission formalisée lors du WEF à Davos le .. Le président français, Emmanuel Macron, annonce en 2021 son intention de rejoindre l'organisation. mais la France, représentée par le CNRS Terre & Univers, n'en devient pleinement membre qu'en juin 2026..
Sont observateurs au board du SKAO : le Japon et Malte.
Historique L'histoire de SKA commence dès le milieu des années 1980. Diverses propositions de radiotélescopes géants sont motivées par des objectifs allant de la détection de la raie HI 21 cm à des distances cosmologiques ou la recherche radio des signaux émis par des civilisations extraterrestres (SETI) qui nécessitent un gain important en sensibilité et donc une surface collectrice importante. La surface de 1 km2 est notamment évoquée lors d’un colloque de l'Union astronomique internationale (UAI) motivé par le anniversaire du Very Large Array (VLA), en 1990 à Soccorro au Nouveau-Mexique.
1993 : l'Union internationale des radiosciences (URSI) crée un groupe de travail sur les grands télescopes (Large Telescope Working Group).
1994 : l’Union astronomique internationale (UAI) crée un groupe de travail sur les très grandes infrastructures futures en astronomie.
1997 : protocole d’accord entre huit institutions de six pays (Australie, Canada, Chine, Inde, Pays-Bas et États-Unis) pour mener un programme d'étude technologique en vue d’un futur très grand radiotélescope.
1998 : choix du nom « SKA » (Square Kilometre Array).
2000 : signature d’un Memorandum of Understanding (MoU) entre les représentants de onze pays : Allemagne, Australie, Canada, Chine, Inde, Italie, Pays-Bas, Pologne, Royaume-Uni, Suède et États-Unis, pour la mise en place du comité directeur international de SKA.
2001 : choix du logo.
2003 : mise en place du project office de SKA.
2005 : MoU pour le développement de SKA ; le comité directeur est élargi à 21 membres (7 pour l'Europe, 7 pour les États-Unis et 7 pour le reste du monde).
2007 : choix de l’Université de Manchester pour héberger le project office de SKA.
En , la décision définitive est prise de construire SKA sur deux sites en Afrique du Sud et en Australie. En Australie, la partie basses fréquences de SKA sera installée dans la région du près de Meekatharra à l'ouest du pays. En Afrique du Sud, la partie moyennes fréquences du projet s'installera dans le désert du Karoo au sud-ouest.
Objectifs scientifiques L'émission à 21 cm de l'hydrogène neutre L’idée du « Square Kilometer Array » remonte à la fin des années 1980. À l’origine il s’agissait de mesurer la raie à 21 cm de l’hydrogène neutre (HI) - HI 21cm - d’objets situés à des distances cosmologiques, émission qui est décalée vers le rouge, donc vers des fréquences plus basses (Ekers 2012 et ses références). Dans sa version actuelle, SKA est toujours une puissante « machine HI », qui permettra d'étudier comment les galaxies acquièrent et perdent leur hydrogène gazeux, comment il est transformé en étoiles, comment il est lié à la présence éventuelle d'un noyau actif et à la densité de l'environnement. En passant des télescopes actuels à SKA1, on pourra effectuer ce type d’observations tout au long d’une grande partie de l'histoire de l'Univers : on mesurera le contenu en HI de centaines de milliers de galaxies, jusqu'à des temps de retour en arrière d'environ 5 à 6 milliards d'années, alors qu'avec les télescopes actuels, l'observation est limitée à un très petit nombre de galaxies riches en gaz observées, au maximum, il y a environ 2 à 2,5 milliards d'années (Staveley-Smith & Oosterloo 2015).
Les premiers objets lumineux Au début des années 2000, une autre application scientifique exceptionnelle des mesures SKA en HI a commencé à émerger : l’étude de l'aube cosmique (« Cosmic Dawn ») et de l'époque de la réionisation (Epoch of Reionization). Ces phases de l'Univers ont commencé 100 et 280 millions d'années environ après le Big Bang, quand, après l' « âge des ténèbres » pendant lequel la matière de l'Univers était complètement dominée par l'hydrogène neutre, les premières sources (étoiles, galaxies...) ont commencé à se former. Ces objets lumineux étaient capables d'ioniser le gaz autour d’eux, mais ils sont extrêmement difficiles à détecter car leur émission est intrinsèquement faible et absorbée par le milieu environnant. SKA sera capable de cartographier la structure du gaz HI dans lequel ces sources se sont formées, dont la distribution va être caractérisée par des vides : les bulles de matière ionisée entourant les objets lumineux. Ces mesures, qui exigent une sensibilité très élevée et la capacité de séparer le signal de toutes sortes d’émission d'avant-plan, sont extrêmement difficiles. Cependant, l’enjeu est majeur et vaut clairement la peine d'investir du temps de télescope et des ressources importantes, puisque les astronomes auront ainsi un accès unique aux phases de l’histoire de l’Univers pendant lesquelles les structures très primordiales observées dans le fond de rayonnement cosmique (Cosmic Microwave Background) par d'autres télescopes comme Planck. se sont transformées en toute la variété de sources que nous observons dans l'Univers plus local (Koopmans et al. 2015).
Le chronométrage des pulsars Un troisième cas scientifique majeur pour le projet SKA est l'étude des pulsars.
Ces étoiles à neutrons hautement magnétisées émettent un rayonnement radio qui est détecté comme une impulsion à chaque fois que le faisceau traverse notre ligne de visée. Un pulsar est donc un « phare cosmique », dont la lumière s’allume et s’éteint avec une période constante et extrêmement courte (les valeurs observées vont de 1,4 ms à moins de 10 secondes).
La recherche sur les pulsars a pris de plus en plus d’importance au fil du temps. La première raison est qu'ils sont de véritables laboratoires de physique dans des conditions extrêmes, très éloignées de ce qu’on peut atteindre sur Terre, avec des champs gravitationnels très forts, des densités de matière supérieures aux densités nucléaires, et des champs magnétiques très élevés. La deuxième raison, dont l’importance apparaît pleinement aujourd'hui après la première détection directe des ondes gravitationnelles par les collaborations scientifiques LIGO et Virgo en 2015 et 2016 .), est qu'un réseau de pulsars peut être utilisé comme un détecteur géant d’ondes gravitationnelles. Les impulsions de ces étoiles à neutrons sont extrêmement régulières (leur stabilité peut atteindre 10-16). Cela signifie que même de petites perturbations dans la trame de l'espace-temps, comme celles créées par la propagation d'une onde gravitationnelle, peuvent être détectées via des mesures de distance des pulsars. Lorsqu'elles se propagent à travers le réseau de pulsars, ces ondes gravitationnelles peuvent en effet augmenter notre distance par rapport à l’une de ces étoiles à neutrons et diminuer la distance par rapport aux autres, augmentant ou diminuant ainsi légèrement les temps d’arrivée de l'impulsion. Pour détecter la propagation d’ondes gravitationnelles dans l'espace, il est donc possible d'utiliser des mesures extrêmement précises des temps d’arrivées des pulses.
Champs magnétiques cosmiques Le SKA sera également un instrument unique pour étudier les champs magnétiques dans toutes sortes de sources, à des échelles spatiales allant des quelques millions de kilomètres (éjections de masse coronale dans le Soleil) à des dizaines de Mpc (1021 km, 1 parsec (pc) correspondant à 3 1013 km) pour les filaments cosmiques qui relient les galaxies et amas de galaxies dans l'Univers. Cette étude se fera essentiellement via la mesure de rotation de Faraday (RM). De manière très simplifiée, le signal synchrotron provenant de sources radio est polarisé linéairement et sa direction de polarisation tourne lorsqu'il traverse un plasma magnétisé d’avant-plan avant d'atteindre nos télescopes sur Terre. Cette rotation dépend du carré de la longueur d'onde observée et d’une grandeur (la « Rotation Measure », RM) qui dépend de l'intensité du champ magnétique traversé. Donc, si nous pouvons détecter une grande quantité de sources radio d’arrière-plan, des observations multi-longueurs d'onde nous permettent de reconstituer la structure 3D du champ magnétique d’avant-plan. Le grand avantage du SKA par rapport aux meilleurs radiotélescopes actuels, c'est qu’il portera le nombre de sources radio avec une mesure de RM de 40 000 à plusieurs millions (Johnston-Hollitt et al. 2015).
Autres objectifs scientifiques