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Accueil du site > Tribune Libre > Radioastronomie : à l’écoute de l’univers

Radioastronomie : à l’écoute de l’univers

 

 Le mardi 1er décembre 2020, la partie supérieure du radiotélescope d’Arecibo ; diamètre de 305 mètres pour une profondeur de 51 mètres et une masse de 900 tonnes installé dans un cratère naturel de l’île de Porto Rico en 1963, s'écroulait après la rupture de deux câbles. C’est grâce à ce radiotélescope que les premières exoplanètes (hors du système solaire) furent découvertes en 1992. Arecibo resta le plus grand télescope à antenne unique jusqu’en 2016.

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En 1864, James Clerk Maxwell écrit : " la lumière et le magnétisme sont deux phénomènes de même nature ", d'énoncer que les champs électrique et magnétique se déplaçaient dans un espace vide sous forme d'ondes à vitesse constante (Au XIX° siècle, les savants pensaient que la lumière avait besoin d'un support, gazeux ou liquide pour se propager). En 1988, Heinrich Hertz prouve que les ondes électromagnétiques (composante d'un champ électrique vertical et magnétique horizontale ou polarisation) se déplacent en ligne droite et dans le vide.

On doit la première observation radio astronomique à l'ingénieur Karl Jansky. En 1931, alors qu'il explore le ciel dans toutes les directions au moyen d'une antenne rotative afin d'étudier les parasites sur la longueur d'onde de 15 mètres (ou 20 Mégacycles), il capte un brouillage qui se répète toutes les 23 heures 56 minutes ! Après avoir envisagé l'agitation thermique des électrons (le bruit de fond est d'autant plus intense que la température est élevée, pour ne disparaître qu'à l'approche du zéro absolu, 0° Kelvin ou -273°C), il est persuadé que ce rayonnement radioélectrique provient de l’espace. Il en localisera la radio-source en 1935, proche de la constellation du Sagittaire dans les environs de la Voie lactée !

Le domaine d'étude de la radioastronomie porte sur les radiofréquences émises par les corps célestes et non leur éclat lumineux. Les ondes hertziennes s'étendent de 10^3 Hz à 10^23 Hz (rayons X, ϓ et cosmiques). Pour simplifier, on utilise les multiples : kilohertz 1.000 Hz - mégahertz 1.000.000 Hz (10^6) - gigahertz 1.000.000.000 (10^9) et térahertz (10^12 Hz). La longueur d'onde : 300.000 / fréquence en Hz, ou 300 / fréquence en MHz. Les astrophysiciens utilisent les bandes entre 13 MHz jusqu'au Térahertz (protocole de l'Union Internationale des télécommunications). Afin de prendre en compte les spécificités de propagation des ondes électromagnétiques, le spectre est découpé en bandes (voir tableau).

Les ondes électromagnétiques sont à la fois des vibrations et des particules (corpuscules), ondes qui interagissent avec la matière rencontrée. La matière peut émettre ou absorber les radiations électromagnétiques. Pour que l'interaction soit rendue possible, il faut que la longueur d'onde soit proche de la structure interne de la matière rencontrée. Lorsqu'un électron change de niveau, il émet une vibration, si les niveaux d'énergie sont séparés par une différence importante, la fréquence vibratoire sera très grande (longueur d'onde plus petite, exemple les rayons ionisants). Les télescopes à rayons X et à rayons gamma peuvent détecter des particules de haute énergie, étoiles à neutrons et des trous noirs. Les ondes de grandes longueurs d'onde, correspondent à des différences d'énergie très faibles, avec entre les deux, les rayons lumineux (infra-rouges lointains, visibles et les ultra-violets).

En 1937, un radio amateur américain, Groote Reber, construit, dans la cour de sa maison, un radiotélescope avec une antenne en forme de disque. En 1945 il construit une antenne parabolique de 9 m de diamètre. La surface réfléchissante a pour effet de concentrer les ondes réfléchies vers l’antenne réceptrice placée au foyer. Il va établir la première carte de la Voie Lactée en utilisant la longueur d’onde de 1,87 m (160 MHz). La longueur d'onde (λ) correspond à la distance parcourue par l'onde pendant la durée d'une oscillation (période 1/fr). En 1942, Hey découvre l'émission radio du soleil, deux années plus tard, l'astronome Van de Hulst prédit l'existence de la raie de l'hydrogène à 21 cm (Le rayonnement d'hydrogène atomique interstellaire fut observé pour la première fois en 1931). Bien d'autres molécules interstellaires ont été découvertes : l'eau, l'ammoniaque, les carbones, etc., chacune présentant une fréquence particulière : l'oxygène 61 GHz, le monoxyde de carbone 230 GHz, etc., ce qui justifie l'étendue du spectre exploré.

Les radioastronomes mesurent : l'intensité, la fréquence, la polarisation, la direction et les variations du signal. Un récepteur se compose, d'un concentrateur (parabole ou cornet), d'une antenne (les ondes électromagnétiques réfléchies excitent les électrons dans l'antenne et créent un champ électrique ou signal), d'un préamplificateur à faible bruit, de filtres, d'un oscillateur local (Fréquence Intermédiaire) qui abaisse la fréquence avant de la diriger vers un circuit d'accord (syntonisation sur une fréquence) et un ordinateur.

Une parabole de grandes dimensions représente une masse très importante difficile à déplacer pour un alignement parfait (azimut et élévation) et suivre l'objet (la terre tourne de 4 degrés en une minute). Pour l'alléger, sa surface réfléchissante peut être constituée d'une surface ajourée de dimension inférieure à la longueur d’onde choisie. Pour une radio observation de l'hydrogène à 1427 MHz soit 21 cm (300/1420), on peut se satisfaire d'une maille de deux centimètres.

Maxwell a montré qu'une charge électrique en mouvement génère des ondes, si les électrons rayonnent, ils perdent aussi de leur énergie. La différence d'énergie émise repose sur la formule ΔW = hυ (h constante de Planck, υ fréquence de la vibration), l'atténuation du signal varie avec la distance et la fréquence, en approximation : A dB = 20 log.4Π.D (en m) / λ. Pour une fréquence de 2,4 GHz, par exemple, l'atténuation vaut 124 dB à 18.000 mètres.

Le rapport S/B d'un récepteur est de - 20 dB à - 60 dB, soit 10^-2 à 10^-6 fois plus faible que le bruit cosmique et le bruit électrique. Le gain (augmentation de la puissance reçue ou émise) apportée par une parabole : G = 10 . log (k(Π.Dia/λ)^2) ; k correspond au rendement moyen de l'antenne, environ 0,50 (prendre la même unité pour diamètre et longueur d'onde). Une antenne d'un mètre de diamètre présentera un gain de 26 dB à 2,4 GHz et un gain de 46 dB à 24 GHz. A noter que l'effet Doppler s'applique aux ondes électromagnétiques, c'est ainsi que l'astronome Edwin Hubble a démontré en 1929, que les galaxies s'éloignaient les unes des autres (expansion de l'univers).

Si le pouvoir séparateur (capacité à discerner deux objets proches l'un de l'autre) d’un télescope optique reste lié à son diamètre et à la longueur d’onde observée (entre 400 et 800 nm, la variation du pouvoir séparateur est négligeable), il n'en va pas de même pour les radiotélescopes. Les ondes radios utilisées en astronomie sont de l’ordre de la dizaine de centimètres ou du mètre, et non 400 à 800 nanomètres comme en optique. Pour λ = 1,87 m, le pouvoir séparateur sera 1.870.000 µm / 0,5 = 3.740.000 fois plus mauvais que dans le spectre visible. L'angle d'ouverture d'une parabole (Θ = 70. λ/Dia) est d'autant plus fin que le gain est important, ce qui vaudra pour notre exemple précédent, 9° et 0,9°.

L’astronomie submillimétrique requiert un ciel très sec et un observatoire aussi élevé que possible. Le réseau de radiotélescopes Large Millimeter Array situé sur le plateau de Chajnantor dans le désert de l’Atacama au Chili à 5000 m d'altitude, dédié à l’observation de l’Univers dans un domaine de longueur d’onde entre 0.3 à 9.6 millimètres, est constitué de 54 antennes de 12 mètres de diamètre et 12 de 7 mètres, distantes de 16 kilomètres au maximum. L'amélioration du pouvoir séparateur des radiotélescopes passe par l’interférométrie. Toute onde empruntant deux trajets de longueur différente présente un déphasage, ce décalage dépend de la distance séparant les antennes (principe de l'audition binaurale). Le radiotélescope situé à Jodrel Bank (Angleterre) est couplé avec celui de Parkes en Australie distant de 10.000 km, ce qui équivaut à un miroir de 10.000 km de diamètre ! Si le pouvoir séparateur est supérieur aux télescopes optiques, cela ne vaut que selon le nombre d'antennes et leur disposition. Il faut associer quatre antennes en croix pour en conserver l'avantage. Sinon, les radioastronomes peuvent enregistrer séparément les signaux reçus par les deux antennes afin ensuite de les recombiner (cela nécessite d'enregistrer les signaux horaires délivrés par une horloge atomique). Les satellites de radioastronomie permettent d’atteindre des résolutions angulaires jusqu’à 0.008 milliseconde d’arc !

Le 16 novembre 1974, Arecibo avait émis un message contenant : les nombres de un à dix - les numéros atomiques des atomes courants - des formules chimiques - des informations sur l'ADN et un dessin représentant un être humain en direction de l'Amas d'Hercule situé à 22.200 années-lumière de la Terre ! Cette " tentative de contacter une intelligence extraterrestre " fut vivement critiquée par de nombreux scientifiques. En 2016, l'artiste écossais Paul Quast renouvelait une expérience similaire, envoyant un message en direction de l'étoile Polaris située à 450 années-lumière, zone qu'il ne devrait être atteinte qu'en 2466 ! L'auteur du projet, attend-il une réponse...

Que de chemin parcouru en quelques décennies. Découverte du rayonnement fossile à l'origine du Big-Bang en 1965. Des milliers d'exoplanètes et planètes ont été repérées en dehors de notre système solaire. Le premier pulsar (restes d'étoiles qui ont explosé ou supernovae) fut découvert en 1967, on en répertorie aujourd'hui plus de 2.000 ! L'existence des ondes gravitationnelles fut confirmée en 1993, quatre années plus tard, les astrophysiciens John Ralston et Borge Nodland auraient réussi à percer un des mystères de l'univers, l'existence d'un axe d'orientation du cosmos !

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3 réactions à cet article    


  • Daniel PIGNARD Daniel PIGNARD 21 décembre 2020 09:51

    Il n’y a rien pour l’homme à chercher dans les exo-planètes, Dieu n’ayant donné que la terre comme habitation pour l’homme. L’ordre qu’il a donné en Genèse 1 :28 est explicite à ce sujet :

    « Dieu les bénit, et Dieu leur dit : Soyez féconds, multipliez, remplissez la terre, et assujettissez-la ; et dominez sur les poissons de la mer, sur les oiseaux du ciel et sur tout animal qui se meut sur la terre. »


    • Gollum Gollum 21 décembre 2020 10:29

      @Daniel PIGNARD

       smiley

      Soyez fécond

      Dans votre cas c’était : Soyez fait con.

      Et là il s’est pas loupé. smiley


    • HELIOS HELIOS 22 décembre 2020 01:26

      = = = les astrophysiciens John Ralston et Borge Nodland auraient réussi à percer un des mystères de l’univers, l’existence d’un axe d’orientation du cosmos ! = = =


      ... là, même en supposant qu’il faille mettre en place une règle arbitraire, j’ai comme un doute....

      Les conventions, c’est bien, mais de là à les eriger en règles tangibles autres que conventionnelles, c’est a dire autre qu’un outil de semantique de communication.... je ne franchis pas ce pas. 


      ... un peu comme dire que le nord de la Terre est « en haut »...


      Maintenant, si cela s’avère fortement réel (et non pas le résultat d’une combinaison de forces qui n’ont rien à voir entre elles, alors : félicitations, on a découvert l’interaction tangible qui va nous permettre d’avoir une boussole intergalactique !


      J’adore ce genre d’article, Merci l’auteur.



      Maintenant, Pour Arecibo, il va être reconstruit (remplacé en fait) et c’est tant mieux, il faut savoir évoluer, n’est-ce pas... le SETI pourra attendre un peu.

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