Comment la radioastronomie a renouvelé notre regard sur le cosmos

radiotelescope

Les radiot√©lescopes ont d√©couvert des quasars et des pulsars, et ont offert la premi√®re image d’un trou noir.

La génèse

On ne peut qu’imaginer ce que les voisins de Grote Reber ont pens√© lorsqu’en 1937, ce passionn√© de radio amateur a √©rig√© dans son jardin une cuvette de t√īle peu profonde de pr√®s de 10 m√®tres de large, perch√©e au sommet d’un √©chafaudage ajustable et surmont√©e d’une pyramide ouverte de tours gangr√©n√©es. Ses voisins √©taient loin de se douter qu’ils assistaient √† la naissance d’une nouvelle fa√ßon de voir le cosmos.

Reber construisait le premier radiot√©lescope d√©di√© au monde. Contrairement aux t√©lescopes traditionnels, qui utilisent des lentilles ou des miroirs pour concentrer la lumi√®re visible, cet engin utilise du m√©tal et des circuits pour capter les ondes radio interstellaires, des ondulations de basse fr√©quence du rayonnement √©lectromagn√©tique. Avec son appareil artisanal, Reber a r√©alis√© la premi√®re carte du ciel vue par des yeux radiosensibles et a donn√© le coup d’envoi de la radioastronomie.

La radioastronomie est aussi fondamentale pour notre compr√©hension de l’univers que‚Ķ l’astronomie optique“, d√©clare Karen O’Neil, directrice du site du Green Bank Observatory en Virginie. “Si nous voulons comprendre l’univers, nous devons vraiment nous assurer que nous avons autant de types e capteurs diff√©rents sur l’univers que possible.

Lorsque les astronomes parlent d’ondes radio en provenance de l’espace, ils ne font pas r√©f√©rence √† des √©missions extraterrestres. Ils s’int√©ressent plus souvent √† la lumi√®re √† faible √©nergie qui peut √©merger lorsque des mol√©cules modifient leur rotation, par exemple, ou lorsque des √©lectrons tournent dans un champ magn√©tique. Se mettre √† l’√©coute des ondes radio interstellaires pour la premi√®re fois, c’est un peu comme si Galil√©e avait point√© une lorgnette modifi√©e vers les √©toiles des si√®cles plus t√īt – nous pouvions voir des choses dans le ciel que nous n’avions jamais vues auparavant.

Aujourd’hui, la radioastronomie est une entreprise mondiale. Plus de 100 radiot√©lescopes – des antennes arachn√©ennes repli√©es au ras du sol aux versions surdimensionn√©es de la parabole de Reber qui s’√©tendent sur des centaines de m√®tres – pars√®ment le globe. Ces yeux sur le ciel ont tellement chang√© la donne qu’ils ont √©t√© √† l’origine de pas moins de trois prix Nobel.

Pas si mal pour un domaine qui a démarré par accident !

Au d√©but des ann√©es 1930, un ing√©nieur des laboratoires t√©l√©phoniques Bell, Karl Jansky, recherchait les sources d’ondes radio qui interf√©raient avec les communications sans fil. Il est tomb√© sur un sifflement provenant de quelque part dans la constellation du Sagittaire, en direction du centre de la galaxie.

Karl Jansky, que l’on voit ici avec son antenne radio rotative, est tomb√© sur un sifflement radio provenant de la direction du centre de la galaxie, marquant ainsi les d√©buts de la radioastronomie.

La d√©couverte fondamentale qu’il y avait un rayonnement radio provenant de l’espace interstellaire a d√©concert√© la th√©orie“, explique l’astronome Jay Lockman, √©galement de Green Bank. “Il n’y avait aucun moyen connu de l’obtenir.”

Les Laboratoires Bell ont fait passer Jansky √† d’autres activit√©s, plus terrestres. Mais Reber, un fan de tout ce qui est radio, a lu la d√©couverte de Jansky et a voulu en savoir plus. Personne n’avait jamais construit de radiot√©lescope auparavant, alors Reber l’a con√ßu lui-m√™me, en se basant sur les principes utilis√©s pour focaliser la lumi√®re visible dans les lunettes optiques. Il a am√©lior√© l’antenne de Jansky – un ensemble de tubes m√©talliques soutenus par un tr√©teau en bois pivotant – et a fa√ßonn√© une parabole m√©tallique pour concentrer les ondes radio entrantes en un point, o√Ļ un amplificateur amplifiait le faible signal. Le tout reposait sur une base en bois inclinable qui lui permettait de balayer le ciel en faisant pivoter le t√©lescope de haut en bas. La m√™me conception de base est utilis√©e aujourd’hui pour les radiot√©lescopes du monde entier.

Pendant pr√®s de dix ans – en partie √† cause de la Grande D√©pression et de la Seconde Guerre mondiale – Reber est pratiquement seul. Ce n’est qu’apr√®s la guerre que le domaine s’est √©panoui, avec des scientifiques d√©bordant d’une nouvelle expertise en radio, issue de la conception de syst√®mes radar. Les surprises n’ont pas cess√© depuis.

La d√©couverte des mol√©cules interstellaires est un √©v√©nement majeur“, d√©clare Lisa Young, astronome au New Mexico Tech √† Socorro. Les radiot√©lescopes sont bien adapt√©s pour scruter les nuages denses et froids o√Ļ r√©sident les mol√©cules et pour d√©tecter les radiations √©mises lorsqu’elles perdent leur √©nergie de rotation. Aujourd’hui, la liste des mol√©cules interstellaires identifi√©es comprend de nombreux compos√©s organiques complexes, dont certains sont consid√©r√©s comme des pr√©curseurs de la vie.

Des découvertes avancées

Les radiot√©lescopes ont √©galement mis en √©vidence des objets jusqu’alors inimaginables. Les quasars, ces noyaux flamboyants de galaxies lointaines aliment√©s par des trous noirs gigantesques, sont apparus pour la premi√®re fois sur des cartes radio d√©taill√©es √† la fin des ann√©es 1950. Les pulsars, les noyaux en rotation ultra-denses des √©toiles mortes, se sont fait conna√ģtre en 1967 lorsque Jocelyn Bell Burnell a remarqu√© que le r√©seau d’antennes radio qu’elle avait aid√© √† construire captait un bip r√©gulier provenant de l’espace lointain toutes les 1,3 secondes. (Elle n’a pas √©t√© retenue lorsque le prix Nobel de physique de 1974 a honor√© cette d√©couverte – c’est son conseiller qui a obtenu la reconnaissance. Mais une accolade est venue en 2018, lorsqu’elle a re√ßu un prix sp√©cial de perc√©e en physique fondamentale).

Les pulsars ne sont “pas seulement int√©ressants pour √™tre une d√©couverte en soi“, dit Lockman. Ils “sont maintenant utilis√©s pour faire des tests de la relativit√© g√©n√©rale et d√©tecter les ondes gravitationnelles.” En effet, tout ce qui peut influencer un pulsar – par exemple, une ondulation passag√®re dans l’espace-temps – modifie le moment o√Ļ ses battements radio ultra-pr√©cis arrivent sur Terre. Au d√©but des ann√©es 1990, de telles variations de synchronisation d’un pulsar ont conduit √† la premi√®re d√©couverte confirm√©e de plan√®tes en dehors du syst√®me solaire.

Plus r√©cemment, de br√®ves explosions d’√©nergie radio provenant principalement d’autres galaxies ont retenu l’attention des astronomes. D√©couverts en 2007, les causes de ces “sursauts radio rapides” sont encore inconnues. Mais ils constituent d√©j√† des sondes utiles de ce qui se passe entre les galaxies. La lumi√®re de ces √©ruptions code les signatures des atomes rencontr√©s en route vers la Terre, ce qui permet aux astronomes de retrouver des quantit√©s de mati√®re qu’ils pensaient devoir se trouver dans le cosmos mais qu’ils n’avaient pas encore trouv√©es. “C’est ce qui nous a permis de peser l’univers et de comprendre o√Ļ se trouve la mati√®re manquante“, explique Dan Werthimer, astronome √† l’universit√© de Californie √† Berkeley.

Le fond diffus cosmologique et le Big Bang

Et c’est une antenne radio qui, en 1964, a donn√© le plus grand coup de pouce √† la toute jeune th√©orie du Big Bang. Arno Penzias et Robert Wilson, ing√©nieurs aux Laboratoires Bell, √©taient g√™n√©s par un sifflement persistant dans l’antenne cornet de la taille d’une maison qu’ils r√©affectaient √† la radioastronomie. Le coupable √©tait un rayonnement qui impr√®gne tout l’espace et qui provient d’une √©poque o√Ļ l’univers √©tait beaucoup plus chaud et plus dense qu’aujourd’hui. Ce fond diffus cosmologique, ainsi nomm√© en raison des fr√©quences relativement √©lev√©es auxquelles il est le plus fort, reste la fen√™tre la plus claire dont disposent les astronomes sur les d√©buts de l’univers.

Les radiot√©lescopes ont un autre pouvoir. De multiples antennes paraboliques reli√©es entre elles sur plusieurs continents peuvent agir comme un √©norme observatoire, avec la capacit√© de voir des d√©tails beaucoup plus fins que n’importe laquelle de ces antennes agissant seule. La construction d’un Ňďil radio aussi large que la plan√®te – le t√©lescope Event Horizon – a permis d’obtenir la premi√®re image d’un trou noir.

Le t√©lescope Event Horizon, un r√©seau international de radio-observatoires, a pris cette toute premi√®re image d’un trou noir, au centre de la galaxie M87.

“Non pas que quelqu’un ait besoin d’une preuve de l’existence des trous noirs“, dit Young, “mais il y a quelque chose de si merveilleux dans le fait de pouvoir le voir“.

La liste des d√©couvertes est longue : Les galaxies de l’univers primitif qui sont compl√®tement envelopp√©es de poussi√®re et n’√©mettent donc aucune lumi√®re stellaire brillent encore sur les images radio. Les anneaux de gaz et de poussi√®re entourant les jeunes √©toiles fournissent des d√©tails sur la formation des plan√®tes. Des informations sur les ast√©ro√Įdes et les plan√®tes de notre syst√®me solaire peuvent √™tre glan√©es en faisant rebondir les ondes radio sur leurs surfaces.

Le recherche d’intelligence extraterrestre

Et, bien s√Ľr, il y a la recherche d’intelligence extraterrestre, ou SETI. La radio est probablement l’endroit le plus probable o√Ļ nous r√©pondrons √† la question : “Sommes-nous seuls ?“. dit Werthimer.

Le r√©seau de radiot√©lescopes ALMA situ√© dans le d√©sert d’Atacama au Chili a captur√© cette image de ce qui semble √™tre un disque de formation de plan√®tes autour de la jeune √©toile HL Tauri.

Ce sentiment remonte √† plus d’un si√®cle. En 1899, l’inventeur Nikola Tesla a capt√© des signaux radio qu’il pensait provenir d’habitants d’une autre plan√®te. Et pendant 36 heures en ao√Ľt 1924, les √Čtats-Unis ont ordonn√© le silence de tous les √©metteurs radio pendant cinq minutes toutes les heures afin d’√©couter les transmissions en provenance de Mars, la Terre longeant la plan√®te rouge √† une distance relativement proche. Le domaine a re√ßu un coup d’envoi plus officiel en 1960 lorsque l’astronome Frank Drake a point√© le radiot√©lescope original de Green Bank vers les √©toiles Tau Ceti et Epsilon Eridani, au cas o√Ļ quelqu’un y √©mettrait.

Si le SETI a connu des hauts et des bas, “on assiste actuellement √† une sorte de renaissance“, d√©clare M. Werthimer. “Il y a beaucoup de nouvelles personnes jeunes qui se lancent dans le SETI‚Ķ et il y a de l’argent frais“. En 2015, l’entrepreneur Yuri Milner a promis 100 millions de dollars sur 10 ans √† la recherche d’autres r√©sidents de notre univers.

Bien que l’effondrement de l’observatoire g√©ant d’Arecibo en 2020 – avec ses 305 m√®tres de diam√®tre, il a √©t√© le plus grand radiot√©lescope √† antenne unique pendant la majeure partie de sa vie – ait √©t√© tragique et inattendu, les radioastronomes ont de nouvelles installations en chantier. Le Square Kilometer Array, qui reliera de petites antennes et paraboles en Australie et en Afrique du Sud lorsqu’il sera termin√© √† la fin des ann√©es 2020, permettra de sonder l’acc√©l√©ration de l’expansion de l’univers, de rechercher des signes de vie et d’explorer les conditions de l’aube cosmique. “Nous verrons les signatures des premi√®res structures de l’univers qui ont form√© les premi√®res galaxies et les premi√®res √©toiles”, explique M. Werthimer.

Mais si l’histoire de la radioastronomie est un guide, les d√©couvertes les plus remarquables √† venir seront celles que personne n’a pens√© √† chercher. Le domaine est en grande partie marqu√© par la s√©rendipit√©, note M. Werthimer. M√™me la radioastronomie en tant que domaine a commenc√© de mani√®re fortuite. “Si vous construisez simplement quelque chose pour observer un endroit o√Ļ personne n’a jamais regard√© auparavant, dit-il, vous ferez des d√©couvertes int√©ressantes.