Parkes

Généralités sur la radioastronomie
Lorsque l’on observe un ciel nocturne, on peut voir la lumière émise par les étoiles. Celle-ci a voyagé à travers l’espace durant des dizaines, des centaines voire des milliers des années avant d’être perçue par notre oeil. Lorsque les astronomes utilisent des grands télescopes pour sonder l’Univers, la faible lumière qu’ils recueillent peut venir d’objets à des millions ou des milliards d’années lumière de distance. En fait, nous voyons des objets comme ils étaient dans le passé car la lumière aussi rapide soit-elle prend du temps pour voyager à travers l’espace. L’astronomie, peut-être l’une des plus vieilles Sciences, est l’étude d’objets célestes ce qui regroupe les planètes, les étoiles, les galaxies et même l’Univers dans sa totalité.

Lorsque vous écoutez la radio, utilisez un téléphone mobile ou regardez la télévision, vous utilisez un appareil qui reçoit des ondes radio. Les ondes radio sont une forme de radiation électromagnétique, comme la lumière visible que l’on peut voir avec nos yeux. La différence réside dans le fait que les ondes radio ont une plus grande longueur d’onde et ont une fréquence plus basse que celle de la lumière visible. Ils transportent aussi moins d’énergie. La lumière visible apporte suffisamment d’énergie pour permettre aux végétaux chlorophylliens de produire leurs propres molécules organiques grâce à la photosynthèse. Les ondes radio sont bien plus faibles et l’on doit utiliser des amplificateurs électroniques pour transmettre leur signal. Les ondes radio regroupent toutes les ondes électromagnétiques dont la longueur d’onde est supérieure à 1 millimètre.

Les ondes radio provenant de l’espace ont été découvertes dans les années 1930 sans susciter l’intérêt de la communauté scientifique de l’époque. Le développement du radar durant la Deuxième Guerre Mondiale a permis d’améliorer considérablement les antennes et l’électronique. Après la guerre beaucoup de scientifiques ont commencé à utiliser cet équipement pour enquêter sur ces signaux radio venant de l’espace. L’Australie figurait au premier rang de ce travail de recherche grâce aux scientifiques du Laboratoire Radiophysique du CSIRO. La radio-astronomie était née.

La totalité de la matière qui nous entoure est constituée d’atomes. Les atomes sont constitués de particules subatomiques : les électrons qui orbitent autour du noyau atomique constitué de protons et de neutrons. Quand des particules chargées comme les électrons ou les protons accélèrent en changeant leur vitesse ou direction, ils émettent une radiation électromagnétique. Nous pouvons détecter de nombreuses radiations électromagnétiques qui regroupées ensemble forment le spectre électromagnétique. On appelle les ondes radios les radiations électromagnétiques de grande longueur d’onde mais de faible fréquence et de faible énergie.
En allant dans le sens croissant de la fréquence et de l’énergie, le spectre électromagnétique comprend les ondes radio et les micro ondes, les ondes infrarouges, la lumière visible, les rayons ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma.

Chaque type de rayonnement électromagnétique est produit dans des conditions bien précises. Les astronomes peuvent maintenant détecter tous ces types d’émissions, parfois même, grâce à des télescopes terrestres. Certaines radiations comme les rayons X ne peuvent être détectés que par des télescopes spatiaux car notre atmosphère les absorbe, les empêchant ainsi de parvenir jusqu’à la surface terrestre. En étudiant et en détectant les émissions électromagnétiques, les astronomes peuvent déterminer les conditions qui sont à leur origine et ainsi augmenter notre connaissance des objets spatiaux très éloignés.

Pour répondre à cette question, nous devons d’abord comprendre comment ces ondes sont produites.
Il existe deux types d’émission d’ondes radio : thermique et non thermique.

Les émissions thermiques sont causées par le déplacement d’objets chargés électriquement comme par exemple des molécules ou des atomes. Comme toute la matière renferme de l’énergie thermique, les atomes vibrent et émettent des radiations électromagnétiques. Plus l’énergie stockée est importante, plus le nombre d’atomes en vibration sera grand provoquant une émission électromagnétique plus grande.
Ainsi, lorsqu’un gaz est chauffé, l’énergie peut éventuellement être suffisante pour chasser un ou plusieurs électrons de leur orbite atomique. L’atome est ainsi ionisé et possède une charge positive alors que l’électron est maintenant libre.
Comme les électrons de charge négative se déplacent dans ce gaz à haute température chargé électriquement (que l’on appelle plasma) ils interagissent constamment avec les charges positives. Finalement, parce que leur vitesse augmente, ils émettent des radiations électromagnétiques.
Une autre forme d’émission thermique est due au spin des électrons lorsqu’ils orbitent autour d’un noyau. Un électron excité perd l’énergie en basculant à un état plus stable. L’onde radioélectrique émise dans ce processus a toujours une longueur d’onde spécifique. Un électron dans un atome hydrogène neutre, par exemple, produit des ondes radioélectriques d’un longueur d’onde de 21cm via ce processus. Comme l’hydrogène est l’élément le plus abondant dans l’Univers cette longueur d’onde de 21cm fut une des premières émissions radio spatiale découverte et continue d’être une longueur d’onde clé pour l’observation par les astronomes.

Les sources non-thermiques d’ondes radioélectriques incluent les radiations produites dans les synchrotrons, dans lesquels les électrons, accélérés par des champs magnétiques extrêmement puissants, se déplacent à une vitesse proche de celle de la lumière. De telles conditions se produisent dans les sources très puissantes comme les quasars, les noyaux galactiques actifs et les restes de supernova, reliquats de l’explosion d’une étoile massive.
Les émissions de Geosynchrotron sont liées à un processus produit dans les pulsars, étoiles à neutrons qui tournent rapidement sur elles-même, qui représentent les restes d’étoiles plus massives. Les Masers ou amplification de micro-ondes produits par l’émission stimulée de radiations sont semblables aux lasers, mais à des fréquences radio de courte longueur d’onde ou micro-ondes au lieu de la lumière visible. Les sources maser naturelles sont quelquefois trouvées dans les nuages de molécules, dans les régions où les étoiles se forment.

Qu’est-ce qu’un radiotélescope ?
Un télescope radio est simplement un télescope qui est conçu pour recevoir des ondes radioélectriques de l’espace. Dans sa forme la plus simple il a trois composantes :

Une ou plusieurs antennes pour collecter les ondes radio. La plupart des antennes sont des paraboles qui reflètent les ondes radioélectriques vers un récepteur, à la manière d’un miroir concave qui concentre la lumière visible en un point. Les antennes peuvent néanmoins présenter d’autres formes : Une antenne Yagi, semblable à celle utilisée pour la réception TV, peut être utilisée pour la radioastronomie. Ce système était utilisé sur le premier radiotélescope de Dover Heights.
Un récepteur et un amplificateur pour augmenter le très faible signal radio jusqu’à un niveau mesurable. De nos jours, les amplificateurs sont extrêmement sensibles et sont normalement gardés à très basse température afin de minimiser les interférences dues au bruit produit par le mouvement des atomes dans le métal.
Un dispositif d’enregistrement pour garder une trace du signal. Au début de la radioastronomie, c’était un enregistreur graphique sur papier. La plupart des radiotélescopes enregistrent maintenant directement sur le disque dur d’un ordinateur car les astronomes utilisent désormais des logiciels sophistiqués pour traiter et analyser les données.


Doc. 46. Le radiotélescope de Dover Heights.Un des premiers télescopes utilisés à Dover Height, Sydney après la Deuxième guerre Mondiale. Une réplique de l’original est maintenant présentée sur le site.		Doc. 47. Le radiotélescope de Parkes.La vedette du film « the dish ». Il est entré en service en 1961 et fonctionne toujours aujourd’hui. L’antenne parabolique fait 64 mètres de diamètre.

Doc.48. Australia Telescope Compact Array près de Narrabri, à une centaine de kilomètres des Warrumbungles.

Il a été ouvert en 1988 et est constitué de six paraboles de 22 mètres qui peuvent être espacés jusqu’à une distance de 6 km sur une voie ferrée. Ce nouveau type de radiotélescope, où plusieurs paraboles opèrent de concert, est appelé un interféromètre. Les radio-interféromètres permettent aux astronomes d’étudier des objets de manière beaucoup plus précise qu’avec une simple parabole. Plus la région couverte est grande et plus la sensibilité pour les très faibles signaux radio est élevée.

Les paraboles radio n’ont pas besoin d’être aussi lisses ou polies que les miroirs optiques parce que « la lumière » qu’ils reflètent, les ondes radioélectriques, est d’une plus grande longueur d’onde que la lumière visible. La surface d’une parabole à l’Australia Telescope Compact Array est mille fois moins lisse qu’un miroir de verre.

La radioastronomie a changé la façon dont nous regardons l’Univers et nous a permis d’accroître considérablement notre connaissance à son sujet. L’astronomie optique traditionnelle est parfaite pour étudier des objets comme les étoiles et les galaxies qui émettent beaucoup de lumière visible. Pourtant, les étoiles simples sont généralement de faibles émetteurs d’ondes radioélectriques. Nous parvenons à détecter des ondes radioélectriques provenant de notre Soleil uniquement parce que celui-ci est très proche. Cependant, lors d’une éruption solaire, ses émissions radio intenses peuvent provoquer des perturbations importantes dans les communications terrestre.

Les nuages de gaz froids que l’on trouve dans l’espace interstellaire émettent des ondes radioélectriques à des longueurs d’ondes précises. Comme l’hydrogène est l’élément le plus abondant dans l’Univers et est commun dans les galaxies, les astronomes utilisent son émission caractéristique à 21cm pour cartographier la structure de galaxies.

Comme les ondes radioélectriques traversent librement la poussière de notre galaxie, nous pouvons découvrir d’autres galaxies qui se trouvent au-delà du centre de notre galaxie. Celles-ci ne sont pas observables par des télescopes optiques utilisant la lumière visible.

La radioastronomie a permis la découverte de nouveaux types d’objets. Notamment des pulsars, étoiles à neutrons tournant rapidement sur elles-même qui proviennent de l’effondrement du cœur d’étoiles massives ayant épuisé leur combustible.
Les pulsars rayonnent des faisceaux intenses d’ondes radioélectriques dans l’espace à la manière du faisceau lumineux d’un phare lorsqu’il tourne. Le radiotélescope de Parkes a été utilisé pour trouver la plus de moitié des 1480 pulsars connus.

En 1963, le radiotélescope de Parkes été aussi utilisé pour découvrir que l’objet 3C273 n’était pas une étoile, mais plutôt une nouvelle classe extrêmement brillante et lointaine d’objet que nous appelons maintenant des quasars. Ce sont des galaxies primordiales avec des trous noirs supermassifs à leur centre et sont parmi les objets les plus puissants dans l’Univers. Moins énergiques mais apparentés, les noyaux galactiques actifs (ou AGNs) sont maintenant régulièrement étudiés en utilisant la radioastronomie.

Des astronomes essayant d’identifier la source d’interférences dans une antenne radio au cours des années 1960 ont découvert le rayonnement cosmique ambiant à micro-ondes : le rayonnement cosmique ambiant, dernières lueurs du Big bang. Comme l’Univers s’est étendu et s’est refroidi pendant plus de 13,2 milliards d’années, l’émission thermale est tombée de millions ou milliers de degrés à - 270°C, soit seulement 2,73°C au-dessus du zéro absolu. Aussi faible soit-il, il pénètre tout l’espace. Même certains parasites sur votre écran de télévision entre les canaux sont provoqués par cette radiation.