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Lorsque tu lèves les yeux vers le ciel nocturne, tu vois les lumières brillantes des étoiles. Si vous vivez dans un endroit sombre, loin des villes, vous pouvez en voir des milliers. Mais les points individuels que vous voyez sont tous des étoiles proches. Environ 100 milliards d’autres étoiles existent dans notre seule galaxie, appelée la Voie lactée. Au-delà de la Voie lactée, les astronomes pensent qu’il existe environ 100 milliards d’autres galaxies (chacune avec ses propres 100 milliards d’étoiles). Presque toutes ces étoiles sont invisibles pour vos yeux, qui ne peuvent pas voir la faible lumière des étoiles lointaines. Vos yeux ratent également d’autres choses. La lumière visible que tes yeux peuvent voir n’est qu’une infime partie de ce que les astronomes appellent le « spectre électromagnétique », c’est-à-dire l’ensemble des différentes ondes lumineuses qui existent. Le spectre électromagnétique comprend également les rayons gamma, les rayons X, le rayonnement ultraviolet, le rayonnement infrarouge, les micro-ondes et les ondes radio. Parce que les yeux humains ne peuvent voir que la lumière visible, nous devons construire des télescopes spéciaux pour capter le reste de ce « spectre » – et ensuite les transformer en images et en graphiques que nous pouvons voir.

Qu’est-ce qu’une onde radio?

La lumière est composée de minuscules particules appelées « photons ». Les photons de la lumière visible ont une quantité moyenne d’énergie. Lorsque les photons ont un peu plus d’énergie, ils deviennent des rayons ultraviolets, que tu ne peux pas voir mais qui peuvent te donner un coup de soleil. Avec plus d’énergie, les photons deviennent des rayons X, qui vous traversent. Si les photons possèdent encore plus d’énergie, ils deviennent des rayons gamma, qui sortent des étoiles lorsqu’elles explosent.

Mais lorsque les photons ont un peu moins d’énergie que les photons de la lumière visible, on parle de rayonnement infrarouge. On peut les ressentir comme de la chaleur. Enfin, on appelle les photons ayant le moins d’énergie des « ondes radio ». Les ondes radio proviennent d’endroits étranges de l’espace – les endroits les plus froids et les plus anciens, ainsi que les étoiles qui contiennent le plus de matière dans un espace restreint. Les ondes radio nous renseignent sur des parties de l’univers dont nous ne soupçonnerions même pas l’existence si nous n’utilisions que nos yeux ou des télescopes qui voient les photons visibles.

Longueur d’onde et fréquence

Les radioastronomes utilisent ces photons radio pour en savoir plus sur l’univers invisible. Les photons voyagent par vagues, comme s’ils étaient sur des montagnes russes qui n’utilisent que les deux mêmes morceaux de rails, encore et encore . La taille de l’onde d’un photon – sa longueur d’onde – vous renseigne sur son énergie. La figure 1 montre des ondes de deux longueurs d’onde différentes. Si l’onde est longue, elle n’a pas beaucoup d’énergie ; si elle est courte, elle a beaucoup d’énergie. Les ondes radio n’ont pas beaucoup d’énergie, ce qui signifie qu’elles se déplacent en grandes vagues avec de grandes longueurs d’onde. Les ondes radio peuvent faire des centaines de pieds de diamètre ou seulement quelques centimètres.

Les astronomes parlent également du nombre de ces ondes qui passent à un endroit donné chaque seconde – la « fréquence » de l’onde radio. Vous pouvez penser à la fréquence en imaginant une mare d’eau. Si vous jetez une pierre dans l’eau, des ondulations traversent l’étang. Si vous vous tenez dans l’eau, les ondes frappent vos chevilles. Le nombre de vagues qui vous frappent en une seconde vous indique la fréquence des vagues. Une onde par seconde est appelée 1 Hertz. Un million d’ondes par seconde correspond à 1 MHz. Si les ondes sont longues, elles sont moins nombreuses à vous frapper chaque seconde, et les ondes longues ont donc une fréquence plus faible. Les ondes radio ont de grandes longueurs d’onde et de petites fréquences.

Pionniers de la radio

Le premier radioastronome ne voulait pas être le premier radioastronome. En 1933, un homme nommé Karl Jansky travaillait sur un projet pour les Laboratoires Bell, un laboratoire du New Jersey nommé d’après Alexander Graham Bell, qui a inventé le téléphone. Les ingénieurs y développent le premier système téléphonique qui fonctionne de part et d’autre de l’océan Atlantique. Lorsque les gens ont essayé de passer des appels téléphoniques sur ce système, ils ont entendu un sifflement en arrière-plan à certains moments de la journée. Les Laboratoires Bell pensaient que ce bruit était mauvais pour les affaires, ils ont donc envoyé Karl Jansky pour en trouver la cause. Il a rapidement remarqué que le sifflement commençait lorsque le centre de notre galaxie s’élevait dans le ciel et se terminait lorsqu’il se couchait (tout ce qui se trouve dans le ciel se lève et se couche, tout comme le Soleil et la Lune). Il a compris que les ondes radio provenant du centre de la galaxie perturbaient la connexion téléphonique et provoquaient le sifflement. Lui – et le téléphone – avaient détecté des ondes radio provenant de l’espace. Jansky a ouvert un nouvel univers invisible. Vous pouvez voir une image de l’antenne utilisée par Karl Jansky pour détecter les ondes radio de l’espace dans la figure 2.

Inspiré par les recherches de Janksy, un homme du nom de Grote Reber a construit un radiotélescope dans son jardin en Illinois. Il a terminé le télescope, qui faisait 31 pieds de diamètre, en 1937 et l’a utilisé pour observer tout le ciel et voir d’où venaient les ondes radio. Puis, à partir des données qu’il a recueillies de son radiotélescope, il a fait la première carte du « ciel radio » .

Parler de radiotélescope

Vous pouvez voir la lumière visible parce que les photons de la lumière visible voyagent en petites ondes, et votre œil est petit. Mais comme les ondes radio sont grandes, votre œil devrait être grand pour les détecter. Ainsi, alors que les télescopes ordinaires mesurent quelques centimètres ou quelques pieds de diamètre, les radiotélescopes sont beaucoup plus grands. Le télescope de Green Bank, en Virginie occidentale, fait plus de 300 pieds de large et peut être vu sur la figure 3. Le télescope d’Arecibo, situé dans la jungle de Porto Rico, mesure près de 1 000 pieds de diamètre. Ils ressemblent à des versions gigantesques d’antennes de télévision par satellite, mais ils fonctionnent comme des télescopes ordinaires.

Pour utiliser un télescope ordinaire, vous le pointez vers un objet dans l’espace. La lumière de cet objet frappe alors un miroir ou une lentille, qui fait rebondir cette lumière vers un autre miroir ou une autre lentille, qui fait à nouveau rebondir la lumière et l’envoie à votre œil ou à une caméra.

Lorsqu’un astronome pointe un radiotélescope vers quelque chose dans l’espace, les ondes radio de l’espace frappent la surface du télescope. La surface – qui peut être en métal avec des trous, appelée maille, ou en métal solide, comme l’aluminium – agit comme un miroir pour les ondes radio. Elle les fait rebondir vers un second « miroir radio », qui les fait ensuite rebondir dans ce que les astronomes appellent un « récepteur ». Le récepteur fait ce que fait un appareil photo : il transforme les ondes radio en une image. Cette image montre l’intensité des ondes radio et leur provenance dans le ciel.

Vision radio

Lorsque les astronomes recherchent les ondes radio, ils voient des objets et des événements différents de ceux qu’ils voient lorsqu’ils recherchent la lumière visible. Des endroits qui semblent sombres à nos yeux, ou aux télescopes ordinaires, brûlent de façon éclatante dans les ondes radio. Les endroits où se forment les étoiles, par exemple, sont pleins de poussière. Cette poussière empêche la lumière de nous parvenir, si bien que la zone entière ressemble à une tache noire. Mais lorsque les astronomes tournent les radiotélescopes vers cet endroit, ils peuvent voir directement à travers la poussière : ils peuvent voir une étoile naître.

Les étoiles naissent dans des nuages géants de gaz dans l’espace. D’abord, ce gaz s’agglomère. Puis, à cause de la gravité, de plus en plus de gaz est attiré vers l’amas. L’amas devient de plus en plus grand et de plus en plus chaud. Lorsqu’il est suffisamment énorme et chaud, il commence à faire s’entrechoquer les atomes d’hydrogène, les plus petits atomes qui existent. Lorsque les atomes d’hydrogène s’écrasent les uns sur les autres, ils forment de l’hélium, un atome légèrement plus gros. Ensuite, cet amas de gaz devient une étoile officielle. Les radiotélescopes prennent des photos de ces bébés étoiles .

Les radiotélescopes montrent aussi les secrets de l’étoile la plus proche. La lumière que nous voyons du Soleil provient de près de la surface, dont la température est d’environ 9 000oF. Mais au-dessus de la surface, la température atteint 100 000oF. Les radiotélescopes nous aident à en savoir plus sur ces parties chaudes, qui émettent des ondes radio.

Les planètes de notre système solaire ont aussi des personnalités radio. Les radiotélescopes nous montrent les gaz qui tourbillonnent autour d’Uranus et de Neptune et comment ils se déplacent. Les pôles nord et sud de Jupiter s’illuminent grâce aux ondes radio. Si nous envoyons des ondes radio vers Mercure, puis captons les ondes radio qui rebondissent à l’aide d’un radiotélescope, nous pouvons faire une carte presque aussi bonne que Google Earth .

Lorsqu’ils regardent beaucoup plus loin, les radiotélescopes nous montrent certains des objets les plus étranges de l’univers. La plupart des galaxies ont des trous noirs supermassifs en leur centre. Les trous noirs sont des objets qui ont beaucoup de masse écrasée dans un espace minuscule. Cette masse leur confère une telle gravité que rien, pas même la lumière, ne peut échapper à leur attraction. Ces trous noirs avalent les étoiles, les gaz et tout ce qui s’approche trop près. Lorsque ces objets malchanceux ressentent la gravité du trou noir, ils commencent par tourner en spirale autour du trou noir. En se rapprochant, elle va de plus en plus vite. D’énormes jets, ou colonnes, de rayonnement électromagnétique et de matière qui n’ont pas réussi à pénétrer dans le trou noir (parfois plus grands que la largeur d’une galaxie entière) se forment au-dessus et au-dessous du trou noir. Les radiotélescopes montrent ces jets en action (figure 4).

Des objets massifs comme ces trous noirs déforment le tissu de l’espace, appelé espace-temps. Imaginez que vous posez une boule de bowling, qui pèse très lourd, sur un trampoline. Le trampoline s’affaisse. Les objets lourds dans l’espace font que l’espace-temps s’affaisse, tout comme le trampoline. Lorsque les ondes radio provenant de galaxies lointaines traversent cet affaissement pour arriver sur Terre, la forme agit comme celle d’une loupe sur Terre : les télescopes voient alors une image plus grande et plus lumineuse de la galaxie lointaine.

Les radiotélescopes aident également à résoudre l’un des plus grands mystères de l’univers : Qu’est-ce que l’énergie sombre ? L’univers s’agrandit chaque seconde. Et il s’agrandit de plus en plus vite à chaque seconde parce que l' »énergie sombre » est l’opposé de la gravité : Au lieu de tout rapprocher, elle éloigne tout. Mais quelle est la force de l’énergie noire ? Les radiotélescopes peuvent aider les scientifiques à répondre à cette question en observant les « mégamasers » qui se produisent naturellement dans certaines parties de l’espace. Un mégamaser est un peu comme un laser sur Terre, mais il envoie des ondes radio au lieu de la lumière rouge ou verte que nous pouvons voir. Les scientifiques peuvent utiliser les mégamasseurs pour cerner les détails de l’énergie noire. Si les scientifiques peuvent déterminer à quelle distance se trouvent ces mégamasseurs, ils peuvent dire à quelle distance se trouvent différentes galaxies, puis ils peuvent déterminer à quelle vitesse ces galaxies s’éloignent de nous.

Une boîte à outils complète

Si nous n’avions que des télescopes qui captent la lumière visible, nous manquerions une grande partie de l’action dans l’univers. Imaginez que les médecins n’aient comme outil qu’un stéthoscope. Ils pourraient en apprendre beaucoup sur les battements du cœur du patient. Mais ils pourraient en apprendre bien davantage s’ils disposaient également d’une machine à rayons X, d’un sonogramme, d’un appareil IRM et d’un scanner. Avec ces outils, ils pourraient obtenir une image plus complète de ce qui se passe dans le corps du patient. Les astronomes utilisent des radiotélescopes ainsi que des télescopes à ultraviolets, infrarouges, optiques, à rayons X et gamma pour la même raison : obtenir une image complète de ce qui se passe dans l’univers.

Glossaire

Spectre électromagnétique : La lumière visible que nous pouvons voir n’est qu’une infime partie du « spectre électromagnétique ». La lumière visible est constituée de photons d’énergie moyenne. Les photons avec plus d’énergie sont les rayons ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma (les rayons gamma ont le plus d’énergie). Les photons moins énergétiques sont les infrarouges et les ondes radio (les ondes radio ont le moins d’énergie).

Photon : La lumière est constituée de particules appelées photons, qui se déplacent en ondes.

La longueur d’onde : La taille de l’onde dans laquelle se déplace un photon.

Fréquence : Le nombre d’ondes lumineuses qui passent devant un point en une seconde.

Hertz : 1 Hz signifie qu’une onde passe devant un point en une seconde. Un mégahertz signifie qu’un million d’ondes passent devant chaque seconde.

Récepteur : La partie d’un radiotélescope qui prend les ondes radio et les transforme en une image.

Énergie sombre : L’énergie sombre agit comme l’opposé de la gravité et pousse tout dans l’univers plus loin.

Megamaser : Un laser naturel dans l’espace qui envoie des ondes radio, au lieu de la lumière rouge ou verte comme celle qui provient d’un pointeur laser.

Jansky, K. G. 1993. Les ondes radio de l’extérieur du système solaire. Nature 32, 66. doi : 10.1038/132066a0

Reber, G. 1944. Cosmic statique. Astrophys. J. 100, 297. doi : 10.1086/144668

McKee, C. F., et Ostriker, E. 2007. Théorie de la formation des étoiles. Annu. Rev. Astron. Astrophys. 45, 565-687. doi : 10.1146/annurev.astro.45.051806.110602

Ostro, S. J. 1993. L’astronomie radar planétaire. Rev. Mod. Phys. 65, 1235-79. doi : 10.1103/RevModPhys.65.1235

Henkel, C., Braatz, J. A., Reid, M. J., Condon, J. J., Lo, K. Y., Impellizzeri, C. M. V., et al. 2012. Cosmology and the Hubble constant : on the megamaser cosmology project (MCP). IAU Symp. 287, 301. doi : 10.1017/S1743921312007223