radioastronomie (suite)

Pour accroître leur sensibilité, les récepteurs radioastronomiques ont en tête un amplificateur à très faible bruit, qui est, pour les récepteurs les plus récents, un amplificateur paramétrique refroidi. Ensuite se trouve un récepteur hétérodyne de type classique. Les récepteurs spectraux destinés à observer des raies utilisent une batterie de filtres qui découpe le signal dans des bandes de fréquence étroites. Le signal détecté est généralement enregistré sous forme numérique sur bande magnétique à l’aide d’un ordinateur ; ce même ordinateur, qui travaille en temps réel, peut aussi servir à commander le pointage de l’antenne.

Les radiointerféromètres

Il est possible d’améliorer économiquement le pouvoir séparateur en couplant deux antennes situées à une certaine distance. L’interférence observée donne une composante de la transformée de Fourier de la distribution de brillance dans le ciel de la source étudiée. Le pouvoir séparateur de l’interféromètre a encore pour valeur λ/D, mais la quantité D est maintenant l’espacement des antennes. Une carte de la radiosource peut être dressée en utilisant deux séries d’espacements différents des antennes, dans les directions nord-sud et est-ouest : c’est la technique de la synthèse d’ouverture. Pratiquement, on utilise soit un réseau d’antennes, soit deux antennes mobiles dont on modifie l’espacement. Suivant la distance des antennes, la liaison entre elles est assurée par câble ou par faisceau hertzien. La technique VLBI (Very Long Base Line Interferometry) utilise deux radiotélescopes très éloignés parfois situés sur des continents différents ; les signaux, enregistrés séparément, mais en synchronisme, sont corrélés après les observations à l’aide d’un ordinateur pour faire apparaître les franges d’interférence. Un pouvoir séparateur de l’ordre du millième de seconde d’arc peut ainsi être obtenu.

Les mécanismes d’émission radio en astrophysique

Différents processus physiques sont responsables de l’émission radio des astres.

Le rayonnement thermique

Tout corps chaud émet un rayonnement électromagnétique : c’est le rayonnement du corps noir, qui se produit à des longueurs d’onde d’autant plus courtes que sa température est plus haute. Au-dessus de 1 000 K, et c’est le cas des étoiles, le rayonnement est visible. À des températures plus basses, il n’y a émission que de rayonnements infrarouge et radio. En radioastronomie, on observe le rayonnement thermique du Soleil, des planètes et des nuages de gaz ionisé chaud de la Galaxie, appelés « régions H II ».

Le rayonnement synchrotron

C’est un rayonnement émis par une particule ionisée se déplaçant à grande vitesse dans un champ magnétique. Il a été découvert par les physiciens nucléaires qui accéléraient des paquets d’électrons à de très hautes énergies dans un synchrotron ; d’où le nom de rayonnement. En astrophysique, le rayonnement synchrotron est produit dans la Galaxie par des électrons ayant une vitesse proche de celle de la lumière et dont les trajectoires sont courbées par le champ magnétique galactique. Le rayonnement des radiosources extragalactiques est aussi d’origine synchrotron. La théorie et l’observation montrent que l’énergie émise par l’ensemble des électrons varie suivant la puissance α de la fréquence ν, α étant une quantité appelée l’indice spectral. Pour le rayonnement synchrotron de la Galaxie, α = – 0,7. Les radiosources extragalactiques ont, pour la plupart, des indices spectraux voisins de cette valeur.

Les raies

Les raies apparaissent soit en émission comme un rayonnement à une longueur d’onde fixe, soit en absorption comme un creux à la même longueur d’onde sur le spectre continu de l’émission thermique ou synchrotron d’une radiosource. Elles sont produites par le passage d’un niveau d’énergie à un autre d’un atome ou d’une molécule ; leur fréquence ν a pour valeur ΔE étant la différence d’énergie entre les deux niveaux et h la constante de Planck. Cette fréquence est déplacée par effet Doppler si la source est en mouvement. La raie la plus étudiée en radioastronomie est celle de l’hydrogène neutre à 21 cm (1 420 MHz). Elle est due à la transition entre l’état où les spins de l’électron et du noyau de l’atome d’hydrogène ont même valeur et celui où ces spins sont opposés. Son observation demande une grande quantité d’hydrogène sous une très faible pression et ne peut être faite en laboratoire. Mais son émission par des nuages d’hydrogène neutre galactiques (les régions H I) a été détectée dès 1951. L’effet Doppler permet de distinguer les nuages animés de vitesses différentes et situés sur la même ligne de visée. L’observation systématique des profils de la raie 21 cm dans la Voie lactée a permis d’étudier la rotation de la Galaxie et de distinguer ses bras spiraux. Une raie provenant du radical OH s’observe à 18 cm dans les nébulosités galactiques et dans certaines étoiles infrarouges. De nombreuses autres raies ont été détectées en radio dans la Galaxie, en particulier celles de l’hydrogène et de l’hélium excités, ou raies de recombinaison. On a aussi trouvé vers le centre galactique des raies de molécules simples, comme l’eau H₂O, l’ammoniac NH₃, mais parfois complexes, comme le formaldéhyde H₂CO, l’alcool méthylique H₂CHOH, l’acide formique HCOOH.

Les radiosources

Le Soleil

En radioastronomie comme en astronomie optique, le Soleil est l’astre le plus brillant du Ciel. Son rayonnement radio se divise en deux composantes. La première, dite émission du Soleil calme, est constante et n’est autre que le rayonnement thermique. La seconde est l’émission du Soleil en activité ; elle est liée à la présence des taches solaires et aux éruptions chromosphériques. Elle se manifeste par des « sursauts », parfois extrêmement intenses, dont la durée varie d’une fraction de seconde à plusieurs jours.

Les planètes

Les planètes, ainsi que la Lune, sont chauffées par le Soleil : elles émettent un rayonnement thermique. Jupiter a en outre des propriétés très particulières, probablement dues au fait qu’il est la seule planète ayant son champ magnétique relativement intense : à son rayonnement thermique se superpose un rayonnement synchrotron, émis par les ceintures de particules ionisées retenues par le champ magnétique. Jupiter émet aussi sur ondes décamétriques des sursauts très intenses, d’origine inconnue jusqu’à présent.