La radioastronomie

Parkes
Le radiotélescope de Parkes de 64 mètres de diamètre en Australie. Crédit : Stewart Duff/CSIRO

La lumière visible est un domaine privilégié pour l’homme, mais elle ne représente qu’une infime fraction du spectre électromagnétique. Les autres domaines de longueur d’onde peuvent aussi nous fournir une incroyable quantité d’information sur l’Univers.

Évidemment, pour être en mesure d’analyser cette information, il faut d’abord construire des instruments capables de détecter les rayonnements non visibles, ce qui explique que cette astronomie ne s’est développée qu’au milieu du siècle dernier.

Les radiotélescopes

Le premier domaine de longueurs d’onde non visible à être exploité fut celui des ondes radio. Quelques observations furent accomplies par des pionniers dans les années 1930, mais ce n’est qu’après la seconde guerre mondiale que la radioastronomie se développa véritablement. Depuis, elle est devenue l’un des piliers de l’astronomie moderne.

En particulier, elle a permit de découvrir certains des objets les plus intéressants de l’Univers, comme les pulsars, les radiogalaxies ou les quasars. Elle a également ouvert la voie à l’étude des différents types de nuages d’hydrogène qui parsèment le milieu interstellaire et où les étoiles naissent.

Par rapport aux autres lumières, les ondes radio se distinguent par leurs grandes longueurs d’onde. Pour cette raison, il est nécessaire de recourir à de grandes antennes appelées des radiotélescopes.

Parmi les exemples les plus connus, on peut citer le radiotélescope d’Effelsberg en Allemagne, une énorme antenne parabolique de 100 mètres de diamètre, le radiotélescope fixe d’Arecibo, qui a été construit en tapissant de plaques d’aluminium une cavité naturelle de 300 mètres de diamètre à Porto Rico, ou bien le Grand Radiotélescope de la station de radioastronomie de Nançay en France, dont le miroir principal fait 300 mètres sur 35 mètres.

Réseaux et interféromètres

L’un des problèmes majeurs de la radioastronomie est la résolution angulaire très décevante, même avec des télescopes de plusieurs centaines de mètres de diamètre. La solution la plus simple consisterait à augmenter encore la taille des instruments, mais il n’est évidemment guère envisageable de construire des radiotélescopes d’un kilomètre de diamètre ou plus.

Les radioastronomes ont surmonté ce problème en construisant des interféromètres, c’est-à-dire des réseaux de plusieurs radiotélescopes séparés les uns des autres. Si l’on combine les signaux de différentes antennes observant simultanément le même objet, il est possible d’obtenir des informations plus détaillées et même de reconstruire une image de celui-ci. La résolution angulaire de cette image est alors déterminée par la taille totale du réseau et non celle d’un seul télescope, d’où la possibilité de voir des détails très fins.

Evidemment, quelques points isolés ne peuvent pas remplacer tout un miroir et les observations interférométriques ne produisent pas directement d’images, mais un signal qui doit être traité par des techniques mathématiques avant de pouvoir être utilisé.

L’un des réseaux les plus célèbres est le VLA, au Nouveau-Mexique, un ensemble de 27 antennes mobiles qui se répartissent sur une région de 20 kilomètres.

VLA
Le VLA (Very Large Array) au Nouveau-Mexique est constitué de 27 antennes de 25 mètres de diamètre. Crédit : NRAO/AUI/NSF

Le VLBA est quant à lui un réseau de 10 antennes de 25 mètres réparties sur tout le territoire des États-Unis. Avec cet instrument, la distance maximale entre deux antennes est de 8000 kilomètres, ce qui permet d’obtenir une résolution angulaire 1000 fois meilleure que les télescope visibles terrestres.

Enfin, les meilleurs résultats sont obtenus lorsque des radiotélescopes répartis sur plusieurs continents travaillent ensemble. Cette méthode appelée VLBI a été testée pour la première fois en 1967 et a permis d’atteindre des résolutions angulaires 10.000 fois supérieures à celles des télescopes visibles terrestres, un record toutes longueurs d’onde confondues.

L’astronomie submillimétrique

Le domaine submillimétrique comprend les longueurs d’onde entre 0.3 et 1 millimètre et se trouve donc entre l’infrarouge et les ondes radio. Il permet d’observer des régions relativement froides, d’une dizaine à quelques centaines de degrés du zéro absolu, donc des zones plus chaudes que le rayonnement fossile, mais beaucoup plus froides que les étoiles.

Son sujet principal est le milieu interstellaire de la Voie Lactée et des autres galaxies, en particulier les nuages d’hydrogène moléculaire où naissent les étoiles. Il permet aussi d’étudier l’univers lointain, la formation des planètes et même les corps du système solaire.

L’observatoire ALMA (Atacama Large Millimeter Array) est une collaboration entre l’Europe, les États-Unis, le Canada, Taiwan, le Japon, la Corée et le Chili. Il s’agit d’un réseau de radiotélescopes consacré à l’observation de l’Univers dans un domaine de longueur d’onde entre 0.3 to 9.6 millimètres, soit les domaines submillimétrique et millimétrique. Il est constitué de 66 antennes, 54 de 12 mètres de diamètre et 12 de 7 mètres de diamètre, avec une séparation maximale de 16 kilomètres.

ALMA
Une vue magnifique du réseau ALMA (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array) sur le plateau de Chajnantor dans le désert de l’Atacama au Chili. Crédit : ESO/Babak Tafreshi

L’astronomie submillimétrique est un sujet particulièrement difficile car la vapeur d’eau de notre atmosphère absorbe fortement les ondes submillimétriques. Elle requiert donc un ciel très sec et un observatoire aussi élevé que possible. Les astronomes ont choisi pour construire ALMA un site sur le plateau de Chajnantor, dans le désert de l’Atacama au Chili, à 5000 mètres d’altitude.

Le satellite Spektr-R

Un autre développement dans ce domaine est le satellite de radioastronomie Spektr-R lancé le 18 juillet 2011 depuis Baïkonour et opérationnel jusqu’en 2019.

Le satellite emportait une antenne de dix mètres formée de 27 pétales. Il se trouvait sur une orbite très allongée, avec une période d’environ neuf jours. L’orbite était si étendue que la Lune avait une influence marquée qui faisait lentement dériver la trajectoire du radiotélescope.  L’apogée de cette orbite fluctuait entre 265.000 et 360.000 kilomètres et son périgée entre 400 et 65.000 kilomètres de la surface de la Terre.

Le satellite travaillait en collaboration avec des radiotélescopes terrestres, par exemple ceux d’Arecibo, de Green Bank et d’Effelsberg. En utilisant l’interférométrie et son orbite très longue, Spektr-R permit d’atteindre des résolutions angulaires exceptionnelles, jusqu’à 0.007 milliseconde d’arc (à comparer avec les 50 millisecondes d’arc du télescope spatial Hubble).