Radiotélescope sphérique de cinq cents mètres d'ouverture

Maquette du FAST exposé en 2017.

FAST est, à l'origine, la contribution chinoise au projet du radiotélescope interférométrique Square Kilometre Array (SKA) (à l'époque dénommé Large Telescope ou LT) proposé par des astronomes de 10 pays dont la Chine au cours de l'assemblée générale de l'Union radio-scientifique internationale de 1993. Le projet chinois FAST est proposé en 1994. Le projet prévoit la réalisation de ce radiotélescope dans un gouffre karstique de la province de Guizhou[2]^,[3]. Une conférence internationale qui se tient à Pékin en mars 2006 valide le projet sur le plan scientifique et technologique. Le budget alloué au projet, 700 millions de yuans, est débloqué par la Commission du développement national et de la réforme chinoise en juillet 2007 et les travaux débutent sur le site fin 2008. La durée de la construction est estimée, à l'époque, à 5,5 années et la mise en service est planifiée en 2016[4]. La construction débute en mars 2011[5]^,[6]. Le chantier s'achève le 3 juillet 2016[7]^,[8]^,[5]. Le coût final est de 1,2 milliard de yuans (165 millions d'euros)[8]. Le directeur scientifique du projet est Nan Rendong (en), chercheur aux Observatoires astronomiques nationaux (en) de l'Académie chinoise des sciences.

Son inauguration et sa mise en service ont lieu le 25 septembre 2016[9]. Fin avril 2018, l'instrument est toujours en phase de test et le reste jusqu'à ce que ses performances atteignent les valeurs prévues. Il devient alors un instrument de recherche national[10]. À l'issue de cette phase, pendant laquelle son usage est réservé aux scientifiques chinois, il s'ouvre à la communauté scientifique internationale en octobre 2019[11].

FAST est construit près du village de Dawodang à 170 km par la route de Guiyang, capitale de la province de Guizhou située dans le sud-ouest de la Chine. La région, montagneuse avec une altitude moyenne de 1 000 mètres, est restée longtemps pauvre et mal reliée au reste du pays. Le radiotélescope occupe une cuvette karstique d'un diamètre de 800 mètres dont le sol assure un drainage naturel. Le site a été choisi parce que la géométrie de la vallée est proche de la forme nécessaire pour y installer le réflecteur et devait permettre de réduire le volume des terrassements à un million de m³. Parmi les autres avantages du site figuraient la latitude relativement basse (26° Nord), le climat doux (température moyenne de 15 °C, quelques jours de gel et de neige par an) permettant de limiter les coûts de maintenance, l'absence d'inondations et une sismicité réduite d'après l'historique disponible.

D'autre part, la densité de peuplement réduite des environs limite les interférences radio[12], cependant, environ 9 000 personnes habitant dans un rayon de cinq kilomètres autour du site ont été déplacées en 2016[13]. Les déplacés reçoivent 12 000 yuans (environ 1 650 euros) de dédommagement[14].

L'éloignement du site conjugué à la problématique de l'indépendance des recherches, au manque de radioastronomes qualifiés et aux salaires relativement faibles en Chine conduisent initialement à des difficultés de recrutement, en particulier concernant le poste de directeur chargé du volet scientifique[15]^,[16].

Le pont de Pingtang, qui supporte l'autoroute reliant Luodian à Pingtang, a été ouvert à la circulation le 30 décembre 2019, ce qui réduit le temps de trajet entre Pingtang et Luodian de plus de deux heures et demie à environ une heure et devrait donc améliorer l'accès au radiotéléscope[17].

La conception de FAST reprend les principes du radiotélescope d'Arecibo avec un réflecteur fixe de très grande dimension utilisant une cuvette naturelle mais en introduisant trois améliorations majeures :

• la cuvette permet au réflecteur d'atteindre un diamètre de 500 mètres (contre 300 mètres pour Arecibo) tandis que sa géométrie permet de pointer le radiotélescope à 40° du zénith ;
• la surface du réflecteur est déformable pour corriger l'aberration de sphéricité ce qui permet d'obtenir une polarisation complète et d'observer une large bande spectrale sans système de réception complexe ;
• la cabine focale supportant les antennes est positionnée à l'aide de câbles et de servomécanismes et dispose d'un système complémentaire permettant un positionnement très précis.

Réflecteur

Schéma montrant le diamètre efficace (300 mètres) du réflecteur, les contours de celui-ci et la position de la cabine focale.

Le réflecteur est formé par 4 450 panneaux triangulaires constitués d'une armature métallique recouverte d'un revêtement en aluminium jouant le rôle de surface réfléchissante. Les panneaux sont fixés à un réseau de câbles se croisant de manière orthogonale et suspendus à un anneau de 500 mètres de diamètre. Les nœuds du réseau de câbles se trouvent aux intersections des panneaux. Ceux ci sont fixés au sommet d'une pièce métallique tenue par ailleurs par 6 câbles du réseau et reliée au sol par un septième câble vertical dont la tension est ajustable. Ce dernier dispositif permet d'adapter la forme du réflecteur. Celui-ci a un diamètre efficace de 300 mètres[18] ^,[19]. La superficie du réflecteur atteint environ 196 000 mètres carrés.

FAST est le deuxième plus grand radiotélescope au monde après le RATAN-600 en Russie et le plus grand radiotélescope à un seul appareil, avec une sensibilité égale à environ trois fois celle du radiotélescope d'Arecibo[21]. FAST permet d'observer les fréquences radio comprises entre 70 MHz et 3 GHz. Il est prévu de faire passer la borne supérieure à 8 GHz. Le réflecteur fixe a une ouverture de 500 mètres et un rayon d'environ 300 mètres. Le réflecteur mobile donne une latitude de pointage par rapport au zénith de +/- 40° ce qui permet de suivre l'objet observé durant 4 à 6 heures. La modification du pointage est effectuée en moins de 10 minutes et sa précision est de 8 secondes d'arc. Les autres paramètres sont[22] :

• Ouverture (f/D) : 0,4665
• Résolution angulaire : 2,9 minutes d'arcs
• Sensibilité en bande L : A/T ~ 2 000
• Température du système : ~ 20 K.

Fin 2019, il enregistre 38 Go/s de données qu'il faut ensuite transformer pour analyse. Ce flux important fait qu'il faut dégrader les données pour les enregistrer et se laisser une chance de les analyser plusieurs fois. Le jeu de données est d'abord réduit à 200 Pétaoctets/an, avant de faire d'autres concessions sur les données et d'obtenir un volume de 12 Pétaoctets/an[23].

Les principaux objectifs scientifiques sont :

• la détermination de la distribution de l'hydrogène neutre dans l'univers proche qui doit permettre de préciser les caractéristiques de la matière noire[25] ;
• le recensement des pulsars de la galaxie dont environ 2 000 ont été découverts jusque-là, ce qui représente selon les calculs théoriques seulement 3 % du nombre total[26] ;
• la participation à la réalisation de l'interférométre à très longue base (VLBI, international very long baseline interferometry) qui doit comprendre également l'EVN (en) européen, le VLBA américain et l'APT australien[27] ;
• la détection d'espèces chimiques interstellaires dont OH, CH₃OH et 12 autres molécules[28] ;
• la détection de signaux de civilisations extraterrestres (SETI)[29]^,[30].

Les deux premières découvertes de FAST sont les deux pulsars PSR J1859-01 et PSR J1931-01[31]. Fin avril 2018 le radiotélescope a découvert plus de 20 pulsars[10].

• (en) C. Jin, R. D. Nan et H. Q. Gan, « The FAST telescope and its possible contribution to high precision astrometry. » [Portable Document Format], 2008.
• (en) Rendong Nan, Li Din, Chengiin Jin, Qiming Wang, Lichun Zhu, Wenbai Zhu, Haiyan Zhang, Youling Yue et Lei Qian, « The Five-Hundred-Meter Aperture Spherical Radio Telescope (FAST) Project », International Journal of Modern Physics,‎ 20 mai 2011, p. 1-36 (DOI 10.1142/S0218271811019335, lire en ligne).