{"id":14678,"date":"2017-07-11T11:24:08","date_gmt":"2017-07-11T09:24:08","guid":{"rendered":"http:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/?p=14678"},"modified":"2017-08-27T15:48:51","modified_gmt":"2017-08-27T13:48:51","slug":"astronomie-entrepreneuriat-radiotelescopes","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.oezratty.net\/wordpress\/2017\/astronomie-entrepreneuriat-radiotelescopes\/","title":{"rendered":"De l’astronomie \u00e0 l’entrepreneuriat : radiot\u00e9lescopes"},"content":{"rendered":"

Apr\u00e8s une premi\u00e8re partie d\u00e9di\u00e9e \u00e0 un rappel sur les\u00a0dimensions de l\u2019Univers<\/a>, et les trois suivantes consacr\u00e9es aux t\u00e9lescopes optiques terrestres, je vais ici m\u2019int\u00e9resser \u00e0 une cat\u00e9gorie bien \u00e0 part de t\u00e9lescopes, les radiot\u00e9lescopes.<\/p>\n

L\u2019Univers nous arrose r\u00e9guli\u00e8rement en particules diverses (neutrinos, \u2026), ondes \u00e9lectromagn\u00e9tiques et aussi ondes gravitationnelles. Seules les ondes de lumi\u00e8re visibles et proches du visible, les ondes radio et les ondes gravitationnelles ne sont pas bloqu\u00e9es par l\u2019atmosph\u00e8re. Les autres ondes \u00e9lectromagn\u00e9tiques comme les rayons X et gamma ou une bonne part de l\u2019infrarouge moyen et lointain ne peuvent pas \u00eatre capt\u00e9s sur terre et ne le sont que par des t\u00e9lescopes spatiaux que nous examinerons dans une autre partie de cette s\u00e9rie d\u2019articles.<\/p>\n

Les ondes radio passant bien, tout du moins entre 1 cm et 30 m de longueur d\u2019onde (10MHz \u00e0 30 GHz, sachant que plus la longueur d\u2019onde est grande, plus la fr\u00e9quence est faible et r\u00e9ciproquement) et moyennement bien dans les ondes millim\u00e9triques (entre 1 mm et 1 cm), pourquoi donc ne pas en profiter ? Qui plus est, elles sont observables jour comme nuit. Elles sont \u00e9mises par de nombreux objets c\u00e9lestes : les galaxies de toutes sortes, et dans tous leurs \u00e9tats (naissance, d\u00e9veloppement, \u00e9volution, fin de vie), les ph\u00e9nom\u00e8nes extr\u00eames (pulsars pour les \u00e9toiles \u00e0 neutrons en rotation, quasars pour les galaxies avec un noyau tr\u00e8s actif), les \u00e9toiles (idem), ainsi que les nuages de gaz comme de poussi\u00e8res et notamment ceux qui sont le pr\u00e9lude \u00e0 la cr\u00e9ation d\u2019\u00e9toiles. Elles sont m\u00eame \u00e9mises par l\u2019Univers dans son histoire la plus recul\u00e9e, 380 000 ans apr\u00e8s le big bang, dans ce que l\u2019on d\u00e9nomme le bruit de fond diffus cosmologique, ou CMB<\/strong> pour Cosmic Microwave Background.<\/p>\n

Pour capter ces ondes, les astronomes et astrophysiciens font appel \u00e0 diverses cat\u00e9gories de radiot\u00e9lescopes que nous allons examiner. Ce sont des engins \u00e0 la fois tr\u00e8s imposants, tr\u00e8s originaux et vari\u00e9s. On y trouve des t\u00e9lescopes \u00e0 antenne parabolique, \u00e0 antenne non parabolique, et avec des arrangements \u00e0 base d\u2019antennes multiples dans les deux cas, mettant en \u0153uvre de l\u2019interf\u00e9rom\u00e9trie pour cr\u00e9er des images \u00e0 haute r\u00e9solution \u00e0 partir de l\u2019information collect\u00e9e par plusieurs antennes ou paraboles. Que captent-ils et comment fait-on pour reconstituer des images du cosmos dans les ondes radio ? Surtout dans la mesure o\u00f9 les longueurs d\u2019onde sont grandes et qu\u2019il n\u2019existe pas de capteurs d\u2019images \u00e0 m\u00eame de capter les ondes radio ? Ce sont ces myst\u00e8res scientifiques et techniques que je vais essayer de lever. Vous d\u00e9couvrirez aussi des t\u00e9lescopes m\u00e9connus comme le South Pole Telescope<\/strong>, ceux de l\u2019IRAM <\/strong>fran\u00e7ais install\u00e9s \u00e0 Nancay et en Espagne ainsi que l\u2019\u00e9tonnant LOFAR<\/strong>, un interf\u00e9rom\u00e8tre g\u00e9ant d\u00e9ploy\u00e9 dans plusieurs pays europ\u00e9ens.<\/p>\n

Comme pour les articles pr\u00e9c\u00e9dents, j\u2019ai compuls\u00e9 un grand nombre de sources d\u2019informations pour constituer et illustrer cette compilation de radiot\u00e9lescopes. J\u2019ai notamment appr\u00e9ci\u00e9 les excellents cours d\u2019ASTRON<\/a>, l\u2019organisme de radiot\u00e9lescopes publics des Pays Bas, un des pionniers europ\u00e9ens dans le domaine. Avec en tout, 11 pr\u00e9sentations passionnantes. Face \u00e0 cela, je suis comme un enfant dans un grand magasin de jouets. Tout est \u00e0 port\u00e9e de main et gratuit, mais le temps est la mati\u00e8re premi\u00e8re la plus rare pour tout absorber (et parfois, comprendre) toute cette somme de connaissances ! Donc, je vais vulgariser ! Malgr\u00e9 la vulgarisation que les sp\u00e9cialistes du sujet jugeront plus qu\u2019extr\u00eame, cet article fait tout de m\u00eame 29 pages au format A4 ! Ce sont les devoirs de vacances 2017 !<\/p>\n

Voici donc ce que j\u2019ai pu en tirer !<\/p>\n

Grandes d\u00e9couvertes de la radio astronomie<\/strong><\/p>\n

Un peu comme le Post-it de 3M, la radioastronomie est une d\u00e9couverte accidentelle. Elle r\u00e9sulte de travaux li\u00e9s aux d\u00e9buts du d\u00e9veloppement des t\u00e9l\u00e9communications radio longue distance. Celles-ci ont \u00e9t\u00e9 perfectionn\u00e9es aux d\u00e9buts du XXe si\u00e8cle avec la premi\u00e8re liaison \u00e0 basse fr\u00e9quence (<100 kHz) r\u00e9alis\u00e9e par Marconi en 1901, suivie de l\u2019usage des ondes courtes en 1920 (1,5 MHz) puis des ondes longues en 1927 par AT&T (60 kHz) et puis en 1929, l\u2019usage d\u2019ondes courtes entre 9 et 21 MHz, toujours par AT&T. Ces t\u00e9l\u00e9communications \u00e9taient g\u00ean\u00e9es par des interf\u00e9rences dont l\u2019origine n\u2019\u00e9tait pas toujours comprise.<\/p>\n

Travaillant dans les Bell Labs, l\u2019ing\u00e9nieur Karl Jansky<\/strong> (1905 \u2013 1950) cherchait \u00e0 d\u00e9terminer les fr\u00e9quences optimales dans les ondes courtes pour g\u00e9rer ces t\u00e9l\u00e9communications radio transatlantiques. Voulant d\u00e9terminer l\u2019origine de parasites qui interviennent dans les transmissions par ondes radio courtes qui se manifestaient sur la fr\u00e9quence de 20,5 Mhz, il fabriqua une grande antenne directionnelle fixe mais captant les ondes au gr\u00e9 de la rotation de la terre (ci-dessous<\/em>).<\/p>\n

\"Karl<\/a><\/p>\n

Apr\u00e8s plus de deux ans d\u2019observations, il constata que la fr\u00e9quence de la perturbation radio \u00e9tait d\u2019environ une journ\u00e9e (23 heures et 56 minutes correspondant au jour sid\u00e9ral). Elle correspondait de plus au moment o\u00f9 l\u2019antenne pointait dans une m\u00eame direction du ciel, la constellation du Sagittaire, qui correspond au centre de la Voie Lact\u00e9e. Il en d\u00e9duit que les parasites provenaient de celle-ci et pas d\u2019une source terrestre. On \u00e9tait en 1932 et la d\u00e9couverte fut publi\u00e9e d\u00e9but 1933. Karl Jansky publia m\u00eame une carte du ciel indiquant la source de ces ondes radio.<\/p>\n

\"Experience<\/a><\/p>\n

L\u2019ing\u00e9nieur fut malheureusement affect\u00e9 \u00e0 d\u2019autres t\u00e2ches dans les Bell Labs. C\u2019est un autre ing\u00e9nieur radio am\u00e9ricain, Grote Reber <\/strong>(1911 \u2013 2002), qui en tira plus tard parti en devenant le premier v\u00e9ritable radioastronome. Il construisit le premier radiot\u00e9lescope parabolique en 1938, permettant de concentrer les ondes radio sur un capteur dont nous d\u00e9couvrirons plus loin la nature. Entre 1939 et 1947, il explora plusieurs fr\u00e9quences : 3300 MHz (9 cm) adapt\u00e9e \u00e0 la captation des ondes radio d\u2019origine thermique, puis 910 MHz (33 cm), 160 MHz (187 cm) et 480 Mhz (62 cm). Il s\u2019en servi pour d\u00e9tecter les structures de la Voie Lact\u00e9e, (re)d\u00e9couvrant un pic d\u2019ondes radio dans la constellation du Sagittaire et surtout, sa structure en disque aplati, ainsi que diverses autres galaxies dont la radio-galaxie Cygnus A, situ\u00e9e \u00e0 600 millions d\u2019ann\u00e9es lumi\u00e8re. Il d\u00e9couvrit aussi que les ondes radio cosmiques \u00e9taient d\u2019origine non thermique.<\/p>\n

\"Grote<\/a><\/p>\n

Arrive un troisi\u00e8me larron, le hollandais Hendrik Van Der Hulst<\/strong>. Il pr\u00e9voit en 1944 que la fr\u00e9quence de changement de spin d\u2019\u00e9lectron de l\u2019hydrog\u00e8ne g\u00e9n\u00e8re une onde radio de 25 cm qui devrait \u00eatre d\u00e9tectable (1420 MHz) en radioastronomie. Elle correspond \u00e0 un changement d\u2019\u00e9tat \u00e9nerg\u00e9tique de l\u2019hydrog\u00e8ne neutre – non ionis\u00e9 ou attach\u00e9 \u00e0 d\u2019autres atomes dans des mol\u00e9cules – qui intervient dans les nuages de gaz des galaxies. Lorsque les atomes d\u2019hydrog\u00e8ne rentrent en collision, ils changent de niveau \u00e9nerg\u00e9tique. Apr\u00e8s un certain temps, les atomes d\u2019hydrog\u00e8nes reviennent \u00e0 leur niveau \u00e9nerg\u00e9tique bas et \u00e9mettent un photon dans cette fr\u00e9quence de 1420 MHz. Et 5% \u00e0 10% de la Voie Lact\u00e9e est compos\u00e9e d\u2019hydrog\u00e8ne atomique ! Donc, une belle source de recherche !<\/p>\n

\"Hydrogen<\/a><\/p>\n

L\u2019\u00e9mission de cette fr\u00e9quence de 1420 MHz par la Voie Lact\u00e9e fut valid\u00e9e en mars 1951 par Harold Ewen <\/strong>et Edward Purcell <\/strong>de l\u2019Universit\u00e9 d\u2019Harvard, exploitant une antenne en forme de corne (ci-dessous<\/em>). Leurs donn\u00e9es furent confirm\u00e9es en mai de la m\u00eame ann\u00e9e par les astronomes hollandais Richard Muller <\/strong>et Jan Oort <\/strong>et les Autraliens Wilbur Christiansen <\/strong>et Jim Hindman<\/strong>.<\/p>\n

\"Harold<\/a><\/p>\n

Elles permirent en 1952 de commencer \u00e0 cartographier la structure en spirale de la Voie Lact\u00e9e. En tenant compte de l\u2019effet Doppler sur la raie spectrale de l\u2019hydrog\u00e8ne, il \u00e9tait possible d\u2019\u00e9valuer sa vitesse de rotation, comme, plus tard, de la rotation d\u2019autres galaxies vues sur la tranche (comme ci-dessous avec la galaxie M33, la couleur artificielle refl\u00e9tant l\u2019\u00e9loignement ou le rapprochement des deux lobes de la galaxie). On a notamment observ\u00e9 que la vitesse de rotation angulaire dans la Voie Lact\u00e9e ne d\u00e9pendait pas de la distance au centre. C\u2019est ce qui sous-tend l\u2019hypoth\u00e8se de l\u2019existence d\u2019un halo de mati\u00e8re noire (de nature inconnue) compl\u00e9tant la poussi\u00e8re et les gaz connus de la galaxie. La mati\u00e8re noire est depuis plusieurs d\u00e9cennies une sorte de Graal de l\u2019astrophysique. Tout le monde en parle mais personne ne l\u2019a jamais observ\u00e9e directement. Son existence est inf\u00e9r\u00e9e par d\u2019autres observations et par l\u2019application des lois connues de la physique (gravit\u00e9, th\u00e9orie de la relativit\u00e9 g\u00e9n\u00e9rale).<\/p>\n

\"M33<\/a><\/p>\n

Le signal radio est analys\u00e9 par transform\u00e9es de Fourrier pour identifier la raie spectrale H1 et ses r\u00e9pliques correspondant aux diff\u00e9rents bras de la Voie Lact\u00e9e observ\u00e9e (source<\/a>). Cette d\u00e9couverte marqua le v\u00e9ritable d\u00e9but de la radio astronomie comme une discipline scientifique bien \u00e0 part. Ci-dessous \u00e0 gauche, la cartographie de la Voie Lact\u00e9e dans son \u00e9tat en 1958, r\u00e9alis\u00e9e par Jan Oort, Frank John Kerr et Gart Westerhout.<\/p>\n

\"Milky<\/a>\"Milky<\/a><\/p>\n

En 1955, Bernie Burke <\/strong>et Kenneth Franklin <\/strong>d\u00e9tectaient des ondes radio provenant de Jupiter avec l\u2019antenne de Mills Cross alors que les \u00e9metteurs d\u2019ondes radio \u00e9taient alors bien plus distants.<\/p>\n

S\u2019en suivirent de nombreuses d\u00e9couvertes qui continuent jusqu\u2019\u00e0 ce jour. A commencer par celle du premier quasar \u2013 ou quasi-stellar radio sources \u2013 d\u00e9couvert par Maarten Schmidt <\/strong>et Bev Oke <\/strong>en 1963 (3C 273) et situ\u00e9 \u00e0 deux milliards d\u2019ann\u00e9es lumi\u00e8res de votre chaumi\u00e8re. Cette d\u00e9tection de quasar r\u00e9alis\u00e9e d\u2019abord dans les radio-fr\u00e9quences \u00e9tait ensuite confirm\u00e9e optiquement par le t\u00e9lescope Hale du Mont Palomar, mettant en \u00e9vidence un glissement vers le rouge de son spectre radio (longueur d\u2019onde plus longue). Les ondes radios correspondantes ne sont pas d\u2019origine thermique. Elles proviennent de ph\u00e9nom\u00e8nes gravitationnels extr\u00eames.<\/p>\n

\"Quasar<\/a><\/p>\n

Un quasar est une source tr\u00e8s puissante d\u2019ondes radio situ\u00e9e \u00e0 plusieurs milliards d\u2019ann\u00e9es lumi\u00e8res de la Voie Lact\u00e9e. Elle peut \u00eatre cent fois plus puissante qu\u2019une galaxie. La fr\u00e9quence \u00e9lev\u00e9e de leur luminosit\u00e9 qui se compte en semaines ou ann\u00e9es implique que ces sources soient relativement petites, de l\u2019ordre de quelques semaines \u00e0 ann\u00e9es lumi\u00e8res. Les quasars font partie du groupe plus large des noyaux galactiques actifs (AGN = Active Galactic Nuclei).<\/p>\n

Les AGN sont des noyaux de galaxie dont l\u2019intense activit\u00e9 \u00e9nerg\u00e9tique n\u2019est pas li\u00e9e \u00e0 leurs \u00e9toiles, mais en g\u00e9n\u00e9ral \u00e0 des trous noirs super-massifs qui avalent de la mati\u00e8re par effet gravitationnel, 10% de cette mati\u00e8re pouvant \u00eatre transform\u00e9e en \u00e9nergie dans le processus, expliquant la forte luminosit\u00e9 observ\u00e9e. Ils sont entour\u00e9s d\u2019un disque d\u2019accr\u00e9tion de gaz et mati\u00e8re en rotation \u2013 \u00e9valu\u00e9e par spectrom\u00e9trie – et de jets de mati\u00e8re perpendiculaires \u00e0 ce disque (sch\u00e9ma ci-dessous<\/em>). Les AGN peuvent avoir \u00e9t\u00e9 cr\u00e9\u00e9s par la rencontre de galaxies, propulsant de la mati\u00e8re dans leur noyau au sein duquel se trouverait toujours un trou noir. Ce sont des ph\u00e9nom\u00e8nes anciens dans l\u2019histoire de l\u2019Univers car on ne les observe pas \u00e0 moins de quelques milliards d\u2019ann\u00e9es lumi\u00e8re de notre galaxie. Lorsque l\u2019on observe un AGN de face, le jet de mati\u00e8re \u00e0 son centre vire vers le bleu, indiquant qu\u2019il va dans notre direction et sort donc du trou noir. On appelle cela un blazar !<\/p>\n

\"AGN<\/a><\/p>\n

En 1965, les radioastronomes des Bell Labs Arno Penzias <\/strong>et Robert Wilson <\/strong>d\u00e9couvraient le bruit de fond diffus cosmologique (CMB = cosmic microwave background), dont le pic de fr\u00e9quences est situ\u00e9 autour de 160 GHz dans les bandes radio millim\u00e9triques. Ils utilis\u00e8rent pour cela un t\u00e9lescope dot\u00e9 d\u2019une corne de 6 m\u00e8tres de largeur, construit pat Harald Friis, le cr\u00e9ateur de l\u2019antenne de Karl Jansky deux d\u00e9cennies plus t\u00f4t (ci-dessous<\/em>).<\/p>\n

\"20-Foot<\/a><\/p>\n

En 1967, c\u2019\u00e9tait autour de Jocelyn Bell-Burnell<\/strong> et Antony Hewish<\/strong> de d\u00e9couvrir les pulsars \u00e0 Cambridge au Royaume Uni alors que la premi\u00e8re y \u00e9tait doctorante en astronomie (vid\u00e9o<\/a> de son TEDx en 2013). Les pulsars sont des \u00e9toiles \u00e0 neutrons tr\u00e8s puissantes. Les \u00e9toiles \u00e0 neutron sont des \u00e9toiles hyper-denses compos\u00e9es notamment de neutrons et de protons, en rotation rapide sur elle-m\u00eame, jusqu\u2019\u00e0 mille fois par seconde. Elles \u00e9mettent des ondes radio p\u00e9riodiques directionnelles \u00e0 haute fr\u00e9quence et un fort champ magn\u00e9tique. Elles naissent dans les explosions de supernovas\u00a0 [source du sch\u00e9ma<\/a>]. En 2013, 2200 pulsars avaient \u00e9t\u00e9 d\u00e9tect\u00e9s.<\/p>\n

\"Pulsar<\/a><\/p>\n

Puis, en 1970, Arno Penzias<\/strong>, Robert Wilson <\/strong>(d\u00e9j\u00e0 vus en 1965 pour la d\u00e9couverte du CMB) et Keith Jefferts <\/strong>d\u00e9couvraient la pr\u00e9sence de monoxyde de carbone avec le t\u00e9lescope parabolique de 12 m\u00e8tres \u00e0 ondes radio millim\u00e9triques de l\u2019observatoire de Kitt Peak en Arizona. Les d\u00e9couvertes issues de radiot\u00e9lescopes n\u2019ont fait que continuer depuis !<\/p>\n

Types de radio t\u00e9lescopes<\/strong><\/p>\n

Les radiot\u00e9lescopes sont de trois types principaux :<\/p>\n