Le cours à l'Observatoire

22/05/07

Radiotélescopes

La radioastronomie a été inventée par Karl Jansky en 1933. Il cherchait à éliminer le bruit de fond d'un récepteur de radio dans le domaine décamétrique. Le bruit de fond est produit par l'agitation thermique des électrons dans l'appareil lui-même, et ne peut être supprimé que si le récepteur est à la température de 0 K. A une température plus élevée (donc à toute température réelle), un bruit de fond est forcément présent.

Jansky mesurait le bruit de fond qu'il recevait, et le trouvait plus intense que ce que le calcul prévoyait. Après avoir éliminé toutes sortes de sources possibles, il ne restait plus qu'une seule explication : un rayonnement radioélectrique provenait de l'espace. Vers 1935, en utilisant des antennes directrices, il a montré que le rayonnement était plus intense vers la Voie Lactée, et particulièrement dans la direction du Sagittaire.

Son travail a été repris en 1945 par Groote Reber, qui a construit lui-même une antenne à miroir parabolique de 9 m de diamètre. Il a établi, à la longueur d'onde de 1,87 m, la première carte du ciel montrant les isophotes (lignes qui émettent la même intensité lumineuse) de la Voie Lactée.

Premier radiotélescope, de Groote Reber

Le radar a été inventé et utilisé lors de la seconde guerre mondiale. A la fin de celle-ci, certains appareils ne servant plus ont été récupérés par des astronomes pour constituer des paraboles réceptrices à peu de frais. Ce sont les ancêtres des radiotélescopes.

La radioastronomie s'est heurtée dès le début à son problème de fond : le pouvoir séparateur d'un radiotélescope est catastrophique. Ce n'est pas dû à une mauvaise construction, mais aux longueurs d'onde observées. Nous avons vu que le pouvoir séparateur d'un instrument est lié à son diamètre, mais nous nous sommes limités à la partie visible du spectre. Entre 0,4 et 0,8 μm, la variation de longueur d'onde est négligeable. Mais si on passe aux longueurs d'ondes radioélectriques, tout change.

Le pouvoir séparateur d'un instrument dépend du diamètre ET de la longueur d'onde :

θ = λ / D

A une longueur d'onde 10 fois plus grande correspond un pouvoir séparateur 10 fois plus mauvais. Or, les ondes radios utiles en astronomie sont de l'ordre de la dizaine de centimètres ou du mètre, au lieu de 0,4 à 0,8 millièmes de mm en optique. Pour λ = 1,87 m = 1.870.000 μm (Groote Reber), le pouvoir séparateur sera 1.870.000 / 0,5 = 3.740.000 fois plus mauvais que dans le visible... Autant dire que sans l'imagination des radioastronomes, leur discipline serait morte dans l'oeuf.

C'est pour cette raison qu'il n'existe pas de petit radiotélescope, mais bien au contraire des géants.

Comme en optique, il faut suivre les objets à observer, et le plus simple pour cela consiste à monter l'instrument en équatorial. Le plus grand radiotélescope équatorial existant est celui d'Effelsberg en Allemagne, donc le diamètre du miroir attteint 100 mètres !

Effelsberg

La seconde solution, pour construire des instruments encore plus grands, consiste à placer un miroir fixe, et à attendre que la source à observer veuille bien défiler devant par la rotation de la Terre. Evidemment, tout le ciel n'est pas accessible avec cette méthode, mais seulement une étroite zone autour du point visé par l'appareil. On mesure l'intensité du signal reçu et on la reporte sur un écran d'ordinateur : la brillance de chaque point sera proportionnelle au signal. On arrive comme cela à construire une image. Mais le plus petit détail visible sur cette image est définie par le pouvoir séparateur de l'instrument.

Pour agrandir un peu la zone exploitable, on place l'antenne sur un support mobile, et on la déplace au-dessus du miroir. Cette technique a été mise en œuvre à Arecibo, dans un cratère naturel dont le fond a été tapissé par le miroir. Le diamètre atteint 300 mètres.

Arecibo

La dernière solution associe deux miroirs : un grand miroir plan, pivotant suivant un axe horizontal, renvoie l'onde reçue d'un point quelconque du méridien vers le sol. Là, un miroir parabolique la renvoie vers un point situé entre les deux miroirs, où on place l'antenne. Cette technique a été développée à Nançay, en France. Le miroir parabolique, pour simplifier la construction, n'est pas inscrit dans un cercle, mais dans une bande horizontale. Il est fixe. Comme à Arecibo, l'antenne peut se déplacer sur un chariot de manière à suivre une source pendant un certain temps.

Nançay

La construction de miroirs pour la radioastronomie est beaucoup plus facile que pour l'optique : le même rapport que pour le pouvoir séparateur joue pour la taille des défauts tolérables. Ici, ils sont un million de fois plus gros qu'en optique... Aussi, la surface d'un miroir de radiotélescope est tout simplement un grillage.

Même avec de très grands instruments comme ceux décrits ci-dessus, les radioastronomes ne disposaient pas du pouvoir séparateur nécessaire pour la compréhension de nombreux phénomènes. Il leur a fallu faire preuve de beaucoup d'imagination...

La solution qu'ils ont trouvée est l'interférométrie. Une onde provenant d'un point lumineux, et voyageant selon deux trajets optiques différents (de longueur différente), arriveront avec un léger décalage dans le temps. Ce décalage se traduit par un déphasage : les ondes n'oscillent plus au même moment. Si on les additionne, on produit des interférences.

Pour obtenir la même onde par deux trajets optiques différents, on utilise deux radiotélescopes. Le décalage dépend de la distance entre les deux antennes. Le pouvoir séparateur de l'ensemble est donné par la distance qui sépare les 2 antennes, et non par leur diamètre. Il suffit donc d'éloigner les antennes le plus possible pour améliorer la qualité des images. La longueur d'onde en radio permet de faire cela assez facilement, car les réglages ne sont pas trop précis. Les radioastronomes ont même pu enregistrer séparément les signaux reçus par les deux antennes, puis les recombiner plus tard (pour cela, ils enregistrent en même temps des signaux horaires très précis, donnés par une horloge atomique).

En poussant la méthode au maximum, ils sont arrivés à utiliser le radiotélescope de Jodrel Bank en angleterre, avec celui de Parkes en Australie ! La distance entre les deux est de l'ordre de 10.000 km, ce qui donne l'équivalent d'un miroir de 10.000 km de diamètre !!! 10 millions de mètres alors que les astronomes optiques en étaient à 1 m dans les années 40. Donc les radioastronomes avaient obtenu un pouvoir séparateur bien meilleur que leur collègues optiques.

Mais attention, ce n'est vrai que dans la direction des deux antennes. Dans la direction perpendiculaire, on n'a que le pouvoir séparateur correspondant aux antennes, c'est-à-dire à leur diamètre. On peut alors associer 4 instruments, selon une disposition en croix, et le tour est joué. Les radioastronomes ont construit de tels instruments sur certains sites, par exemple à Nançay.

En utilisant tous ces instruments, les radioastronomes ont découvert beaucoup d'astres émettant des ondes radios, produites par divers mécanismes physiques intéressants. Des astres d'un type nouveau, non prévu, ont été observés : c'est le cas des pulsars et des quasars.

Evidemment, les opticiens ne sont pas restés sur ce constat. Ils ont à leur tour développé l'interférométrie. Pour eux, la tache a été beaucoup plus difficile, car les tolérances de construction sont liées à la longueur d'onde : elles sont un million de fois plus draconiennes en optique qu'en radio. Mais Antoine Labeyrie, près de Grasse, a montré le chemin. Tous les grands intruments optiques en cours de réalisation seront des interféromètres.