Comment la radioastronomie a renouvelé notre regard sur le cosmos

Les radiotélescopes ont découvert des quasars et des pulsars, et ont offert la première image d’un trou noir.

La génèse

On ne peut qu’imaginer ce que les voisins de Grote Reber ont pensé lorsqu’en 1937, ce passionné de radio amateur a érigé dans son jardin une cuvette de tôle peu profonde de près de 10 mètres de large, perchée au sommet d’un échafaudage ajustable et surmontée d’une pyramide ouverte de tours gangrénées. Ses voisins étaient loin de se douter qu’ils assistaient à la naissance d’une nouvelle façon de voir le cosmos.

Reber construisait le premier radiotélescope dédié au monde. Contrairement aux télescopes traditionnels, qui utilisent des lentilles ou des miroirs pour concentrer la lumière visible, cet engin utilise du métal et des circuits pour capter les ondes radio interstellaires, des ondulations de basse fréquence du rayonnement électromagnétique. Avec son appareil artisanal, Reber a réalisé la première carte du ciel vue par des yeux radiosensibles et a donné le coup d’envoi de la radioastronomie.

“La radioastronomie est aussi fondamentale pour notre compréhension de l’univers que… l’astronomie optique“, déclare 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 différents sur l’univers que possible.“

Lorsque les astronomes parlent d’ondes radio en provenance de l’espace, ils ne font pas référence à des émissions extraterrestres. Ils s’intéressent plus souvent à la lumière à faible énergie qui peut émerger lorsque des molécules modifient leur rotation, par exemple, ou lorsque des électrons tournent dans un champ magnétique. Se mettre à l’écoute des ondes radio interstellaires pour la première fois, c’est un peu comme si Galilée avait pointé une lorgnette modifiée vers les étoiles des siècles plus tôt – 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 radiotélescopes – des antennes arachnéennes repliées au ras du sol aux versions surdimensionnées de la parabole de Reber qui s’étendent sur des centaines de mètres – parsèment le globe. Ces yeux sur le ciel ont tellement changé la donne qu’ils ont été à l’origine de pas moins de trois prix Nobel.

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

Au début des années 1930, un ingénieur des laboratoires téléphoniques Bell, Karl Jansky, recherchait les sources d’ondes radio qui interféraient avec les communications sans fil. Il est tombé sur un sifflement provenant de quelque part dans la constellation du Sagittaire, en direction du centre de la galaxie.

“La découverte fondamentale qu’il y avait un rayonnement radio provenant de l’espace interstellaire a déconcerté la théorie“, explique l’astronome Jay Lockman, également de Green Bank. “Il n’y avait aucun moyen connu de l’obtenir.”

Les Laboratoires Bell ont fait passer Jansky à d’autres activités, plus terrestres. Mais Reber, un fan de tout ce qui est radio, a lu la découverte de Jansky et a voulu en savoir plus. Personne n’avait jamais construit de radiotélescope auparavant, alors Reber l’a conçu lui-même, en se basant sur les principes utilisés pour focaliser la lumière visible dans les lunettes optiques. Il a amélioré l’antenne de Jansky – un ensemble de tubes métalliques soutenus par un tréteau en bois pivotant – et a façonné une parabole métallique pour concentrer les ondes radio entrantes en un point, où 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 télescope de haut en bas. La même conception de base est utilisée aujourd’hui pour les radiotélescopes du monde entier.

Pendant près de dix ans – en partie à cause de la Grande Dépression et de la Seconde Guerre mondiale – Reber est pratiquement seul. Ce n’est qu’après la guerre que le domaine s’est épanoui, avec des scientifiques débordant d’une nouvelle expertise en radio, issue de la conception de systèmes radar. Les surprises n’ont pas cessé depuis.

“La découverte des molécules interstellaires est un événement majeur“, déclare Lisa Young, astronome au New Mexico Tech à Socorro. Les radiotélescopes sont bien adaptés pour scruter les nuages denses et froids où résident les molécules et pour détecter les radiations émises lorsqu’elles perdent leur énergie de rotation. Aujourd’hui, la liste des molécules interstellaires identifiées comprend de nombreux composés organiques complexes, dont certains sont considérés comme des précurseurs de la vie.

Des découvertes avancées

Les radiotélescopes ont également mis en évidence des objets jusqu’alors inimaginables. Les quasars, ces noyaux flamboyants de galaxies lointaines alimentés par des trous noirs gigantesques, sont apparus pour la première fois sur des cartes radio détaillées à la fin des années 1950. Les pulsars, les noyaux en rotation ultra-denses des étoiles mortes, se sont fait connaître en 1967 lorsque Jocelyn Bell Burnell a remarqué que le réseau d’antennes radio qu’elle avait aidé à construire captait un bip régulier provenant de l’espace lointain toutes les 1,3 secondes. (Elle n’a pas été retenue lorsque le prix Nobel de physique de 1974 a honoré cette découverte – c’est son conseiller qui a obtenu la reconnaissance. Mais une accolade est venue en 2018, lorsqu’elle a reçu un prix spécial de percée en physique fondamentale).

Les pulsars ne sont “pas seulement intéressants pour être une découverte en soi“, dit Lockman. Ils “sont maintenant utilisés pour faire des tests de la relativité générale et détecter les ondes gravitationnelles.” En effet, tout ce qui peut influencer un pulsar – par exemple, une ondulation passagère dans l’espace-temps – modifie le moment où ses battements radio ultra-précis arrivent sur Terre. Au début des années 1990, de telles variations de synchronisation d’un pulsar ont conduit à la première découverte confirmée de planètes en dehors du système solaire.

Plus récemment, de brèves explosions d’énergie radio provenant principalement d’autres galaxies ont retenu l’attention des astronomes. Découverts en 2007, les causes de ces “sursauts radio rapides” sont encore inconnues. Mais ils constituent déjà des sondes utiles de ce qui se passe entre les galaxies. La lumière de ces éruptions code les signatures des atomes rencontrés en route vers la Terre, ce qui permet aux astronomes de retrouver des quantités de matière qu’ils pensaient devoir se trouver dans le cosmos mais qu’ils n’avaient pas encore trouvées. “C’est ce qui nous a permis de peser l’univers et de comprendre où se trouve la matière manquante“, explique Dan Werthimer, astronome à l’université de Californie à Berkeley.

Le fond diffus cosmologique et le Big Bang

Et c’est une antenne radio qui, en 1964, a donné le plus grand coup de pouce à la toute jeune théorie du Big Bang. Arno Penzias et Robert Wilson, ingénieurs aux Laboratoires Bell, étaient gênés par un sifflement persistant dans l’antenne cornet de la taille d’une maison qu’ils réaffectaient à la radioastronomie. Le coupable était un rayonnement qui imprègne tout l’espace et qui provient d’une époque où l’univers était beaucoup plus chaud et plus dense qu’aujourd’hui. Ce fond diffus cosmologique, ainsi nommé en raison des fréquences relativement élevées auxquelles il est le plus fort, reste la fenêtre la plus claire dont disposent les astronomes sur les débuts de l’univers.

Les radiotélescopes ont un autre pouvoir. De multiples antennes paraboliques reliées entre elles sur plusieurs continents peuvent agir comme un énorme observatoire, avec la capacité de voir des détails beaucoup plus fins que n’importe laquelle de ces antennes agissant seule. La construction d’un œil radio aussi large que la planète – le télescope Event Horizon – a permis d’obtenir la première image d’un trou noir.

“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 découvertes est longue : Les galaxies de l’univers primitif qui sont complètement enveloppées de poussière et n’émettent donc aucune lumière stellaire brillent encore sur les images radio. Les anneaux de gaz et de poussière entourant les jeunes étoiles fournissent des détails sur la formation des planètes. Des informations sur les astéroïdes et les planètes de notre système solaire peuvent être glanées en faisant rebondir les ondes radio sur leurs surfaces.

Le recherche d’intelligence extraterrestre

Et, bien sûr, il y a la recherche d’intelligence extraterrestre, ou SETI. La radio est probablement l’endroit le plus probable où nous répondrons à la question : “Sommes-nous seuls ?“. dit Werthimer.

Ce sentiment remonte à plus d’un siècle. En 1899, l’inventeur Nikola Tesla a capté des signaux radio qu’il pensait provenir d’habitants d’une autre planète. Et pendant 36 heures en août 1924, les États-Unis ont ordonné le silence de tous les émetteurs radio pendant cinq minutes toutes les heures afin d’écouter les transmissions en provenance de Mars, la Terre longeant la planète rouge à une distance relativement proche. Le domaine a reçu un coup d’envoi plus officiel en 1960 lorsque l’astronome Frank Drake a pointé le radiotélescope original de Green Bank vers les étoiles Tau Ceti et Epsilon Eridani, au cas où quelqu’un y émettrait.

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

Bien que l’effondrement de l’observatoire géant d’Arecibo en 2020 – avec ses 305 mètres de diamètre, il a été le plus grand radiotélescope à antenne unique pendant la majeure partie de sa vie – ait été 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 terminé à la fin des années 2020, permettra de sonder l’accélération 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 premières structures de l’univers qui ont formé les premières galaxies et les premières étoiles”, explique M. Werthimer.

Mais si l’histoire de la radioastronomie est un guide, les découvertes les plus remarquables à venir seront celles que personne n’a pensé à chercher. Le domaine est en grande partie marqué par la sérendipité, note M. Werthimer. Même la radioastronomie en tant que domaine a commencé de manière fortuite. “Si vous construisez simplement quelque chose pour observer un endroit où personne n’a jamais regardé auparavant, dit-il, vous ferez des découvertes intéressantes.“