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Radioastronomie

La radioastronomie est une branche de l'astronomie traitant de l'observation du ciel dans le domaine des ondes radio. C'est une science relativement jeune qui est nĂ©e dans les annĂ©es 1930 mais qui n'a pris son essor que dans les annĂ©es 1950/1960 avec la rĂ©alisation de grands instruments (Parkes, Greenbank, Arecibo, Jodrell Bank, Westerbork et Nançay). Tout le spectre radio prĂ©sente un intĂ©rĂŞt pour l'astronomie et la cosmologie mais pour des raisons techniques les frĂ©quences observĂ©es sont limitĂ©es Ă  l'intervalle compris entre 1 MHz et environ 1 000 GHz.

Les observations de ces signaux de puissance généralement faible sont très sensibles aux interférences d'origine humaine ou terrestre et sont noyés dans le bruit cosmique. Pour isoler les signaux et fournir des mesures précises, elles nécessitent la mise en œuvre d'instruments de très grande taille, les radiotélescopes, qui mobilisent de ressources à l'échelle nationale voire internationale (ALMA, LOFAR, SKA). Les signaux des radiotélescopes individuels sont souvent combinés (interférométrie). Des observatoires spatiaux sont également utilisés pour des mesures nécessitant un environnement non reproductible sur Terre (Planck,…) ou pratiquer une interférométrie à très longue base (RadioAstron).

La radioastronomie a apporté des contributions majeures dans des domaines comme la structure de notre galaxie (via la mesure de la répartition de l'hydrogène atomique), les processus physiques au sein de notre Soleil, la composition et l'évolution des nuages de gaz interstellaires et des pouponnières d'étoiles, la structure et l'évolution des galaxies, la détermination des paramètres cosmologiques de l'univers (analyse du fond diffus cosmologique) et enfin les processus physiques à l'origine des émissions radioélectriques des plasmas, des planètes et du milieu interplanétaire de notre système solaire.

Histoire

Antenne avec laquelle Jansky a détecté les ondes radio en provenance de l'espace.

L'histoire de la radioastronomie est liée celles des radiocommunications. Les ondes radio sont découvertes par Heinrich Hertz en 1889 et moins de 10 ans plus tard Guglielmo Marconi met au point la télégraphie sans fil, première application pratique. Dès le début du XXe siècle, plusieurs chercheurs (Oliver Lodge, Charles Nordmann,…) tentent de détecter des ondes radio naturelles en provenance du Soleil mais leurs expériences échouent du fait de la faible sensibilité de ceux-ci et par le fait que celles-ci se déroulent alors que le l'activité solaire est à son minimum[1].

Les débuts de la radioastronomie découlent de la découverte accidentelle en 1933 par Karl Jansky des signaux d'origine cosmique. Cet ingénieur travaillant dans le laboratoire de recherche et de développement de la compagnie de téléphonie américaine Bell. Il observe des signaux radio qui reviennent tous 23 heures 56 minutes, soit un jour sidéral (durée de la rotation de la Terre). Il comprend que cette périodicité implique que la source de ces signaux radio sont les étoiles. Il arrive à déterminer qu'une émission radio provient du centre de la galaxie sur la longueur d'onde de 15 mètres. Il publie en 1935 ce résultat mais ces conclusions ne donnent lieu à aucune recherche ou observation dans le monde de la recherche ou de l'astronomie. En 1936, année du maximum solaire, de nombreux postes radio reçoivent des bruits parasites liés à l'activité solaire mais le rapprochement n'est pas effectué. J.S. Hey, qui travaille sur la mise au point des radars, détecte en 1942 des émissions radio dans la longueur d'onde 1 mètre et remonte à leur source qui coïncide avec les taches solaires. Ces résultats ne sont publiés qu'en 1946, une fois la Seconde Guerre mondiale achevée.

Le premier radiotélescope est construit en 1936 par l'astronome amateur Grote Reber qui durant 10 ans reste le seul à observer cette nouvelle source de données sur le cosmos. Les travaux sur les radars durant la Seconde Guerre mondiale accélèrent la mise au point des technologies qui vont être mises en œuvre par les radiotélescopes. C'est à cette époque que sont détectées les émissions du Soleil dans les longueurs d'onde 150 MHz, 3 et 10 GHz. Après la Seconde Guerre mondiale, les recherches commencent sur une plus grande échelle avec du matériel militaire recyclé (radars). En France, à partir de 1947, Yves Rocard avec deux antennes d´origine allemande de 7,5 m de diamètre crée un service d´observation dirigé par Jean-François Denisse. En 1952, il obtient les moyens pour construire un plus grand observatoire la station de radioastronomie de Nançay (Cher) avec 32 radiotélescopes alignés, inaugurée en 1956.

Le , Harold Ewen et Edward Purcell détectent la raie 21 cm de l'hydrogène neutre dans la Voie lactée avec une antenne cornet.

En 1963, Arno Allan Penzias et Robert Woodrow Wilson découvrent le rayonnement fossile du Big Bang prévu par George Gamow en essayant d'éliminer un bruit de fond dans leur équipement de transmission.

En 1965, le fond diffus cosmologique est découvert ; Georges Lemaître l'avait prédit dans sa théorie de l'explosion primitive, dans son article (en français) adressé à Sir Eddington, le définit comme l'« éclat disparu de la formation des mondes », le reliant à la théorie de l'explosion primordiale; ce que Fred Hoyle, partisan de la théorie "stationnaire", avait caricaturé en désignant par ce vocable du big bang qui est devenu ainsi le symbole de la théorie de l'expansion de l'univers. La discipline de la radioastronomie prend un essor inégalé dans l'histoire de l'astronomie.

En 1967, Jocelyn Bell Burnell détecte le premier pulsar, mais c'est son directeur de thèse, Antony Hewish, qui reçoit en 1974 le prix Nobel de physique pour son apport à la radioastronomie — ce qui déclenche une controverse (en)[2].

Sources cosmiques d'Ă©missions radio

Explosion stellaire vue par le radiotélescope ALMA, l'arrière plan provient d'images prises par des télescopes optiques.

Il existe plusieurs mécanismes à l'origine des émissions radio d'origine cosmique :

Selon leurs origines les émissions radio présentent un spectre continu, c'est-à-dire s'étalant sur une bande de fréquences large, ou un spectre étroit (émissions de photons correspondant à des raies spectrales).

Ondes radio utilisées par la radioastronomie

Les fréquences observées en radioastronomie dépendent des types de source cosmique mais sont contraintes par les perturbations radio naturelles terrestres (ionosphère, troposphère,…) cosmiques (bruit cosmique,…) et humaines (téléphones cellulaires, émetteurs radio/télévision, radars,…). Les observations depuis le sol du fait des perturbations de l'ionosphère ne sont techniquement réalisables sous certaines conditions qu'à partir de 1,5 MHz mais en pratique ne sont réalisées qu'à partir des fréquences inférieures à 30 MHz. A l'autre extrémité du spectre radio, dans le domaine des ondes millimétriques et submillimétriques, les ondes sont en partie interceptées par la vapeur d'eau atmosphérique ce qui conduit à installer (comme pour les télescopes optiques) les radiotélescopes dans des sites situés à très haute altitude (ALMA, NOEMA, JCMT).

Les bandes spectrales utilisées en radioastronomie sont en partie protégées des perturbations d'origine humaine par des normes imposées aux constructeurs d'appareils émetteurs d'ondes radio. Ces normes sont établies par l'Union internationale des télécommunications [5].


Fréquence Longueur d'onde Autre désignation Désignation
internationale
Radiosources cosmiques
(exemples)
Radiotélescopes
(exemples)
Interférences
naturelles / humaines
3-30 Hz100000-10000 kmextrêmement basse fréquence (EBF/ELF)Non observables techniquement
Interception par l'ionosphère
30-300 Hz10000-1000 kmsuper basse fréquence (SBF/SLF)
300-3000 Hz1000-100 kmultra basse fréquence (UBF/ULF)
3-30 kHz100-10 kmondes myriamétriquestrès basse fréquence (TBF/VLF)
30-300 kHz10-1 kmondes kilométriquesbasse fréquence (BF/LF)
300 kHz-3 MHz1 km-100 mondes hectométriquesmoyenne fréquence (MF/MF)
3 MHz-30 MHz100-10 mondes décamétriques
ondes courtes
haute fréquence (HF/HF)
30-300 MHz10-1 mondes métriques
ondes ultra courtes
très haute fréquence (THF/VHF)PulsarLOFAR (10-240 MHz)
300 MHz-3 GHz1 m-10 cmondes décimétriques
Ă  partir de 1 GHz micro-ondes
ultra haute fréquence (UHF/UHF)Raie spectrale hydrogène neutre (1,42 GHz)
Pulsar
SKA (100 MHz-25 GHz)
Nançay (1-3,5 GHz)
3-30 GHz10-1 cmondes centimétriques
micro-ondes
supra-haute fréquence (SHF/SHF)PulsarGreen Bank (290 MHz-90 GHz
30-300 GHz1 cm-1 mmondes millimétriques
micro-ondes
extrêmement haute fréquence (EHF/EHF)Fond diffus cosmologique (160 GHz)
Raie monoxyde de carbone (115 GHz)
ALMA (30-950 GHz)
NOEMA, SMA (180–418 GHz)
Vapeur d'eau atmosphérique
300-3000 GHz1 mm-100 µmondes submillimétriquesTérahertzPoussière interstellaireJCMT (230–660 GHz)
APEX (200-1500 GHz)
Vapeur d'eau atmosphérique

Mesures effectuées

Les mesures suivantes du signal radio sont effectuées :

  • IntensitĂ© du signal radio
  • FrĂ©quence
  • Polarisation
  • Direction (origine de l'Ă©mission radio)
  • Variation temporelle du signal

Les émissions radio d'origine cosmique captées sur Terre ont généralement une puissance très faible (elles se présentent généralement sous forme d'un bruit aléatoire) à l'exception des radiosources suivantes :

  • Les signaux Ă©mis par les pulsars caractĂ©risĂ©s par une pĂ©riodicitĂ© très stable
  • Les scintillations interplanĂ©taires et ionosphĂ©riques Ă©manant de radiosources de petite taille
  • Les Ă©missions irrĂ©gulières en provenance de certaines Ă©toiles et en particulier du Soleil
  • Les variations de puissance de signaux qui peuvent s'Ă©taler sur plusieurs mois de certaines sources comme les sursaut gamma
  • Les variations associĂ©es aux signaux Ă©mis par Jupiter et son environnement

Instrumentation

Afin d'obtenir suffisamment de signal, certaines antennes sont gigantesques, par exemple le radiotélescope d'Arecibo a un diamètre de 305 mètres. Pour obtenir une résolution fine, on utilise des réseaux d'antennes et même des Very Large Array.

Comme pour l'astronomie optique, il existe des radioastronomes amateurs.

Fréquences radio allouées à la radioastronomie

Les bandes dédiées à la radioastronomie ont des assignations spécifiques pour être utilisées par ce service de radioastronomie[6].

Ces fenêtres radio donnent accès à divers corps célestes car les répartitions des bandes protègent des brouillages d’autres services[7].

Bandes ITU Types d’observation
13,36 MHz Ă  13,41 MHzSoleil, Jupiter
25,55 MHz Ă  25,67 MHzSoleil, Jupiter
37,5 MHz Ă  38,25 MHzJupiter
73 MHz Ă  74,6 MHzSoleil
150,05 MHz Ă  153 MHzContinuum, pulsar, Soleil
322 MHz Ă  328,6 MHzContinuum, deutĂ©rium
406,1 MHz Ă  410 MHzContinuum
608 MHz Ă  614 MHzVLBI
1 330 MHz Ă  1 400 MHzRaie HI red-shiftĂ©e
1 400 MHz Ă  1 427 MHzRaie HI
1 610,6 MHz Ă  1 613,8 MHzRaies OH
1 660 MHz Ă  1 670 MHzRaies OH
1 718,8 MHz Ă  1 722,2 MHzRaies OH
2 655 MHz Ă  2 700 MHzContinuum, HII
3 100 MHz Ă  3 400 MHzRaies CH
4 800 MHz Ă  5 000 MHzVLBI, HII, raies H2CO et HCOH
6 650 MHz Ă  6 675,2 MHzCH3OH, VLBI
10,60 GHz Ă  10,70 GHzQuasar, raies H2CO, Continuum
14,47 GHz Ă  14,50 GHzQuasar, raies H2CO, Continuum
15,35 GHz Ă  15,40 GHzQuasar, raies H2CO, Continuum
22,01 GHz Ă  22,21 GHzRaie H2O red-shiftĂ©e
22,21 GHz Ă  22,5 GHzRaies H2O
22,81 GHz Ă  22,86 GHzRaies NH3, HCOOCH3
23,07 GHz Ă  23,12 GHzRaies NH3
23,6 GHz Ă  24,0 GHzRaie NH3, Continuum
31,3 GHz Ă  31,8 GHzContinuum
36,43 GHz Ă  36,5 GHzRaies HC3N, OH
42,5 GHz Ă  43,5 GHzRaie SiO
47,2 GHz Ă  50,2 GHzRaies CS, H2CO, CH3OH, OCS
51,4 GHz Ă  59 GHz
76 GHz Ă  116 GHzContinuum, raies molĂ©culaires
123 GHz Ă  158,5 GHzRaies H2CO, DCN, H2CO, CS
164 GHz Ă  167 GHzContinuum
168 GHz Ă  185 GHzH2O, O3, multiples raies
191,8 GHz Ă  231,5 GHzRaie CO a 230.5 GHz
241 GHz Ă  275 GHzRaies C2H, HCN, HCO+
275 GHz Ă  1 000 GHzContinuum, Raies molĂ©culaires

Notes et références

  1. (en) J.H.J. Torchinsky, « Highlights of Radioastronomy from 1800 to 2007 (a personal selection) », xx,‎ , p. 17-22 (lire en ligne)
  2. Sur cette controverse on lira avec intérêt ces deux excellents articles en français :
    1. Astronomie au féminin Les deux dernières pages de cet article de 21 pages très documenté sur le "machisme" scientifique, par Yaël Nazé, astrophysicienne belge, sont consacrés à cette découverte de Jocelyn Bell et à la controverse.
    2. Une petite guerre des étoiles Une interview de Jocelyn Bell en 2007 où elle relate son sentiment mitigé 33 ans plus tard, partagée entre une vive amertume et l'envie d'oublier en raison de son excellente carrière qui a suivi.
  3. (en) Ray Norris et al., « Unexpected circular radio objects at high Galactic latitude », Publications of the Astronomical Society of Australia (en),‎ (lire en ligne).
  4. (en) Bärbel Koribalski et al., « Discovery of a new extragalactic circular radio source with ASKAP: ORC J0102–2450 », Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, vol. 505,‎ (lire en ligne).
  5. [[#UIT2013|Manuel de radioastronomie 3ème édition(Union internationale des télécommunications)]], p. 39-40
  6. Recommandation de l'Union internationale des télécommunications
  7. Bandes dédiées à la radioastronomie, page 24 Chapitre 1 : Introduction à la Radioastronomie

Bibliographie

  • (en) ASTRONET, Radioastronomy in Europe : Up to, and beyond, 2025, , 141 p. (lire en ligne) — Plan stratĂ©gique radioastronomie europĂ©enne de 2015
  • Union internationale des tĂ©lĂ©communications, Manuel de radioastronomie 3ème Ă©dition, , 188 p. (ISBN 978-92-61-14482-1, lire en ligne) — Synthèse historique scientifique et technique, coordination des frĂ©quences avec les autres usagers
  • P.Zarka, M.Taggeret B.Cecconi, Radioastronomie basse frĂ©quences : instrumentation, thĂ©matiques scientifiques, projets, , 356 p. (ISBN 978-92-61-14482-1, lire en ligne)
  • James Lequeux, « Histoire de la radioastronomie en France 1901 - 1980 », Cahiers Clairaut - Bulletin du ComitĂ© de Liaison Enseignants et Astronomes, no 149,‎ (lire en ligne)

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

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