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Les gens de l’IP — Kendrick Smith, cosmologiste féru de données

Les nouvelles expériences produisent tellement de données que nous ne pouvons pas toutes les conserver. Kendrick Smith appartient à une nouvelle génération de cosmologistes, qui combinent physique, analyse de données, statistiques, etc., pour déterminer non seulement ce que nous voyons, mais aussi ce que cela signifie.

Kendrick Smith, professeur à l’Institut Périmètre, n’a pas toujours été cosmologiste. Si vous lui demandez comment il est devenu physicien, il vous parlera de son premier doctorat — celui qu’il a obtenu en mathématiques pures. Il a ensuite fait un détour à l’extérieur du monde universitaire, en développement de logiciel. Puis est venu un intérêt pour la physique, qu’il a assouvi en lisant pour le plaisir des manuels spécialisés. Et pour compléter le tout un second doctorat, cette fois en cosmologie de l’univers primitif.

Une fois plongé dans le domaine de la physique, Kendrick Smith s’est bâti une réputation d’expert du rayonnement fossile, lueur faible et uniforme qui couvre la totalité du ciel. Aussi appelé fonds diffus cosmologique, le rayonnement fossile est la lumière qui est apparue dès que l’univers est devenu transparent — tout juste 300 000 ans après le Big Bang lui-même. C’est la lumière la plus ancienne de l’univers.

Lorsqu’il a été découvert en 1964, le rayonnement fossile était la première preuve physique du Big Bang. Lorsque le satellite COBE a commencé à en cartographier les détails dans les années 1990, cela a transformé la cosmologie de l’univers primitif : d’un ensemble d’histoires fascinantes s’opposant les unes aux autres, elle est devenue une science fondée sur des données. Un satellite plus puissant, WMAP, a été lancé en 2001. Kendrick Smith était là pour ce projet. Il a fait quelques travaux théoriques, mais il s’est tourné de plus en plus vers l’analyse de données.

Quelle est la distinction entre les deux? « Un physicien théoricien, explique M. Smith, pourrait présenter une nouvelle idée sur le mécanisme du Big Bang. Puis un analyste de données entreprendrait d’effectuer des études statistiques sur des cartes du rayonnement fossile, afin de voir si les données appuient ou infirment cette nouvelle idée.

« Entre la théorie et l’analyse, il y a une étape intéressante, qui consiste à déterminer quoi rechercher. Si l’on a une idée sur le mécanisme physique du Big Bang, le lien entre cette idée et les données peut ne pas être du tout évident. Il faut définir les analyses statistiques à effectuer ou la procédure statistique optimale à appliquer pour mettre à l’épreuve une idée physique donnée. » [traduction]

Et qui mieux qu’un mathématicien devenu réalisateur de logiciels, puis physicien, peut franchir cette étape? C’est là que Kendrick Smith excelle.

« La plupart des chercheurs dans le domaine sont soit physiciens théoriciens, soit analystes de données, mais une bonne partie de mon travail se fait entre ces deux disciplines, dit-il. Je crois que je m’oriente davantage vers l’analyse de données. Les expériences produisent d’énormes quantités de données, et il n’y a pas assez de gens pour les analyser. » [traduction]

Son expertise en matière d’analyse de données l’a placé à la fine pointe d’une révolution culturelle en cosmologie. Cette science autrefois privée de données en est maintenant submergée.

Une nouvelle source de données passionne particulièrement M. Smith. Le radiotélescope CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment – Expérience canadienne de cartographie de l’intensité de l’hydrogène) est presque trop canadien pour être vrai. C’est un ensemble de 4 récepteurs radio, dont chacun a la forme et la taille d’une demi-lune de planche à roulettes, installé dans les contreforts de la vallée de l’Okanagan, en Colombie-Britannique. CHIME, qui fait appel à la collaboration de plusieurs institutions, est le premier nouveau télescope canadien depuis des décennies.

CHIME telescope
Le télescope CHIME à Penticton, en Colombie-Britannique (Photo : Peter Klages, Université de Toronto)

Les atouts inhabituels de CHIME viennent de sa conception originale. Contrairement à la plupart des radiotélescopes, CHIME n’est pas une soucoupe qui tourne pour pointer sur une région donnée du ciel. L’ensemble des 4 « demi-lunes » est stationnaire et, avec la rotation de la Terre, mesure plus de la moitié du ciel chaque jour.

Le télescope exploite — d’une nouvelle manière — des ordinateurs courants, comme ceux que l’on trouve dans des téléphones cellulaires, des consoles de jeu ou des grappes de serveurs.

Kendrick Smith est particulièrement enthousiasmé par l’un des atouts distinctifs de CHIME : la capacité de détecter des sursauts radio rapides, en abrégé SRR. Ces sursauts sont rares et mystérieux. « De manière très occasionnelle, explique M. Smith — 25 fois depuis 2007 —, on observe une impulsion radio puissante, brève et isolée, venant croit-on de loin à l’extérieur de notre galaxie. » [traduction]

Les physiciens n’ont aucune idée de ce qui est à l’origine des SRR. « C’est en fait un problème non résolu très difficile à expliquer, ajoute M. Smith. Il y a énormément de théories différentes. Peut-être que ces sursauts sont liés à des supernovas; peut-être qu’ils sont liés à des étoiles à neutrons. Il y a d’autres théories plus exotiques qui font intervenir des particules ou champs nouveaux. » [traduction]

C’est un grand mystère sur le plan qualitatif, et en physique de tels mystères indiquent souvent la voie vers des avancées majeures. Le télescope CHIME est conçu sur mesure pour de tels progrès. Alors que la dernière décennie de recherches a permis de détecter 25 sursauts radio rapides, CHIME devrait pouvoir en détecter 10 par jour lorsqu’il sera fonctionnel.

Les progrès réalisés en matière de logiciels par Kendrick Smith et ses collègues joueront un rôle-clé. « CHIME est en fait un gros problème d’informatique déguisé en problème de physique, ajoute M. Smith. Nous avons tellement de données que nous ne pouvons même pas toutes les stocker sur disque. Nous avons besoin d’algorithmes vraiment perfectionnés pour faire beaucoup de traitement en temps réel afin de trouver ces SRR. Il y a de nombreuses sources de contamination et autres difficultés techniques. Le logiciel doit fonctionner très rapidement. » [traduction]

Le télescope en est aux derniers stades de mise au point. Des ordinateurs sont en cours d’installation et de démarrage, des câbles sont tirés, des bogues éliminés. Le logiciel subit des tests, surtout à l’Institut Périmètre et à l’Université McGill.

Le télescope CHIME devrait commencer à détecter ses premiers SRR à l’automne. Lorsque CHIME sera opérationnel, Kendrick Smith parie que nous verrons bien des choses auxquelles nous ne nous attendons pas.

Sera-t-il présent au moment de la mise en route du télescope? Le mathématicien devenu réalisateur de logiciels puis physicien semble surpris par la question. Après tout, il peut faire à peu près tout ce qu’il faut sans sortir de son bureau de l’Institut Périmètre. « Je ne suis pas certain que ce soit vraiment nécessaire, dit-il. Mais ce serait agréable de détecter notre premier SRR en Colombie-Britannique, puis de sabler le champagne devant le télescope. » [traduction]

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