Radioastronomie

Antenne avec laquelle Jansky a détecté les ondes radio en provenance de l'espace.

L'histoire de la radioastronomie est liée celles des radiocommunications. Les ondes radio sont découvertes par Heinrich Hertz en 1889 et moins de 10 ans plus tard Guglielmo Marconi met au point la télégraphie sans fil, première application pratique. Dès le début du XX^e siècle, plusieurs chercheurs (Oliver Lodge, Charles Nordmann,…) tentent de détecter des ondes radio naturelles en provenance du Soleil mais leurs expériences échouent du fait de la faible sensibilité de ceux-ci et par le fait que celles-ci se déroulent alors que le l'activité solaire est à son minimum[1].

Les débuts de la radioastronomie découlent de la découverte accidentelle en 1933 par Karl Jansky des signaux d'origine cosmique. Cet ingénieur travaillant dans le laboratoire de recherche et de développement de la compagnie de téléphonie américaine Bell. Il observe des signaux radio qui reviennent tous 23 heures 56 minutes, soit un jour sidéral (durée de la rotation de la Terre). Il comprend que cette périodicité implique que la source de ces signaux radio sont les étoiles. Il arrive à déterminer qu'une émission radio provient du centre de la galaxie sur la longueur d'onde de 15 mètres. Il publie en 1935 ce résultat mais ces conclusions ne donnent lieu à aucune recherche ou observation dans le monde de la recherche ou de l'astronomie. En 1936, année du maximum solaire, de nombreux postes radio reçoivent des bruits parasites liés à l'activité solaire mais le rapprochement n'est pas effectué. J.S. Hey, qui travaille sur la mise au point des radars, détecte en 1942 des émissions radio dans la longueur d'onde 1 mètre et remonte à leur source qui coïncide avec les taches solaires. Ces résultats ne sont publiés qu'en 1946, une fois la Seconde Guerre mondiale achevée.

Le premier radiotélescope est construit en 1936 par l'astronome amateur Grote Reber qui durant 10 ans reste le seul à observer cette nouvelle source de données sur le cosmos. Les travaux sur les radars durant la Seconde Guerre mondiale accélèrent la mise au point des technologies qui vont être mises en œuvre par les radiotélescopes. C'est à cette époque que sont détectées les émissions du Soleil dans les longueurs d'onde 150 MHz, 3 et 10 GHz. Après la Seconde Guerre mondiale, les recherches commencent sur une plus grande échelle avec du matériel militaire recyclé (radars). En France, à partir de 1947, Yves Rocard avec deux antennes d´origine allemande de 7,5 m de diamètre crée un service d´observation dirigé par Jean-François Denisse. En 1952, il obtient les moyens pour construire un plus grand observatoire la station de radioastronomie de Nançay (Cher) avec 32 radiotélescopes alignés, inaugurée en 1956.

Le 25 mars 1951, Harold Ewen et Edward Purcell détectent la raie 21 cm de l'hydrogène neutre dans la Voie lactée avec une antenne cornet.

En 1963, Arno Allan Penzias et Robert Woodrow Wilson découvrent le rayonnement fossile du Big Bang prévu par George Gamow en essayant d'éliminer un bruit de fond dans leur équipement de transmission.

En 1965, le fond diffus cosmologique est découvert ; Georges Lemaître l'avait prédit dans sa théorie de l'explosion primitive, dans son article (en français) adressé à Sir Eddington, le définit comme l'« éclat disparu de la formation des mondes », le reliant à la théorie de l'explosion primordiale; ce que Fred Hoyle, partisan de la théorie "stationnaire", avait caricaturé en désignant par ce vocable du big bang qui est devenu ainsi le symbole de la théorie de l'expansion de l'univers. La discipline de la radioastronomie prend un essor inégalé dans l'histoire de l'astronomie.

En 1967, Jocelyn Bell Burnell détecte le premier pulsar, mais c'est son directeur de thèse, Antony Hewish, qui reçoit en 1974 le prix Nobel de physique pour son apport à la radioastronomie — ce qui déclenche une controverse (en)[2].

Explosion stellaire vue par le radiotélescope ALMA, l'arrière plan provient d'images prises par des télescopes optiques.

Il existe plusieurs mécanismes à l'origine des émissions radio d'origine cosmique :

• Le rayonnement radio d'origine thermique est émis par tout corps ayant une température supérieure au zéro absolu en particulier par les plasmas chauds, les nuages de gaz interstellaires, les enveloppes chaudes d'étoiles et les corps solides. Le fond diffus cosmologique constitue un cas particulier de cette catégorie ;
• Le rayonnement non thermique est émis principalement par le rayonnement synchrotron produit par des électrons circulant à des vitesses relativistes (proches de celle de la lumière) dans un champ magnétique ;
• Le rayonnement en raies spectrales est produit par la transition entre les différents états d'énergie des atomes et des molécules ;
• Les odd radio circles (ORC), cercles extragalactiques de très grande dimension, invisibles en dehors des ondes radios et d'origine inconnue[3]. Cinq ORCs ont été identifiés, tous en 2021[3]^,[4].

Selon leurs origines les émissions radio présentent un spectre continu, c'est-à-dire s'étalant sur une bande de fréquences large, ou un spectre étroit (émissions de photons correspondant à des raies spectrales).

Les fréquences observées en radioastronomie dépendent des types de source cosmique mais sont contraintes par les perturbations radio naturelles terrestres (ionosphère, troposphère,…) cosmiques (bruit cosmique,…) et humaines (téléphones cellulaires, émetteurs radio/télévision, radars,…). Les observations depuis le sol du fait des perturbations de l'ionosphère ne sont techniquement réalisables sous certaines conditions qu'à partir de 1,5 MHz mais en pratique ne sont réalisées qu'à partir des fréquences inférieures à 30 MHz. A l'autre extrémité du spectre radio, dans le domaine des ondes millimétriques et submillimétriques, les ondes sont en partie interceptées par la vapeur d'eau atmosphérique ce qui conduit à installer (comme pour les télescopes optiques) les radiotélescopes dans des sites situés à très haute altitude (ALMA, NOEMA, JCMT).

Les bandes spectrales utilisées en radioastronomie sont en partie protégées des perturbations d'origine humaine par des normes imposées aux constructeurs d'appareils émetteurs d'ondes radio. Ces normes sont établies par l'Union internationale des télécommunications [5].

Les mesures suivantes du signal radio sont effectuées :

• Intensité du signal radio
• Fréquence
• Polarisation
• Direction (origine de l'émission radio)
• Variation temporelle du signal

Les émissions radio d'origine cosmique captées sur Terre ont généralement une puissance très faible (elles se présentent généralement sous forme d'un bruit aléatoire) à l'exception des radiosources suivantes :

• Les signaux émis par les pulsars caractérisés par une périodicité très stable
• Les scintillations interplanétaires et ionosphériques émanant de radiosources de petite taille
• Les émissions irrégulières en provenance de certaines étoiles et en particulier du Soleil
• Les variations de puissance de signaux qui peuvent s'étaler sur plusieurs mois de certaines sources comme les sursaut gamma
• Les variations associées aux signaux émis par Jupiter et son environnement

Afin d'obtenir suffisamment de signal, certaines antennes sont gigantesques, par exemple le radiotélescope d'Arecibo a un diamètre de 305 mètres. Pour obtenir une résolution fine, on utilise des réseaux d'antennes et même des Very Large Array.

Comme pour l'astronomie optique, il existe des radioastronomes amateurs.

Les bandes dédiées à la radioastronomie ont des assignations spécifiques pour être utilisées par ce service de radioastronomie[6].

Ces fenêtres radio donnent accès à divers corps célestes car les répartitions des bandes protègent des brouillages d’autres services[7].