Radioastronomie SKA Tasse

Observatoire de Paris (GEPI (Galaxies, Étoiles, Physique et Instrumentation)
et Rhodes University (Afrique du Sud)
« L’UNIVERS PROFOND DÉVOILÉ À BASSES FRÉQUENCES
PAR LES PRÉCURSEURS DE SKA »

Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur. Voir les crédits des autres photos et des animations.

Le conférencier a eu la gentillesse de nous donner sa présentation, elle est disponible sur ma liaison ftp et se nomme :

CosmoSAF-Tasse-sep2021.pdf, qui se trouve dans le dossier COSMOLOGIE-SAF/ saison 2021-2022.

Chers amis de la cosmologie de la SAF, je suis très heureux que l’on puisse reprendre devant public nos commissions, en « présenciel » comme on dit maintenant ;

Cette commission est la première, donc, après une longue absence où nous n’avons fonctionné qu’à distance par l’intermédiaire de zoom.

Évidemment, certains sont encore un peu hésitants et préfèrent suivre cette conférence à distance sur zoom, vous étiez une quarantaine dans la salle virtuelle.

La SAF s’est dotée d’un ensemble PC/Vidéo unique pour permettre à la fois la visualisation de la conférence du conférencier et de pouvoir en même temps retransmettre à l’aide de caméras et micros répartis dans la salle rue Beethoven, la conférence et une vue d’ensemble du public et du conférencier. Le public distant pouvant aussi intervenir et poser des questions. Ce fut une première pour notre commission, et d’après les retours, tout semble s’être bien passé. La vidéo sera disponible d’ici quelques jours.


Le matériel vidéo vu de l’arrière	L’écran tactile vu de l’avant, ici vue de la salle, sert aussi à présenter la présentation

J’ai présenté brièvement les actualités cosmologiques (disponibles sur le site de la commission) et notre nouveau secrétaire Thierry Foult, qui remplace Bernard Christophe très souvent hors de Paris.

Un mot sur Bernard Christophe, il est astronome amateur et membre du Conseil d’administration de la SAF, il a été admis comme membre honoraire par l’Union Astronomique Internationale (UAI), l’organisation mondiale qui regroupe plus de 12 000 astronomes professionnels dans plus de 100 pays.

Il a été choisi pour ses contributions exceptionnelles en tant qu’astronome amateur, notamment la construction de son propre télescope de 600 mm avec lequel il a découvert 250 astéroïdes, et la remise à neuf d’un instrument (appelé Miosotys), qui permet la détection du passage d’un objet transneptunien devant une étoile. Sa candidature a été proposée par la Société Française d’Astronomie et d’Astrophysique (SF2A).

L’annonce a été faite lors des réunions de l’UAI tenues en ligne du 23 au 26 août 2021. Cette catégorie de membres, introduite lors de la XXXe Assemblée générale de l’UAI, tenue en août 2018 à Vienne, reconnaît officiellement les personnes qui ont contribué de manière significative aux progrès de la recherche et de la culture astronomiques dans leur pays, mais qui ne sont pas astronomes professionnels. L’UAI a admis 20 membres honoraires depuis 2018.

Cyril Tasse est un astronome spécialisé en radioastronomie, il nous présente d’abord un résumé de sa conférence en introduction :

SKA est un projet de très grand radiotélescope. Quelques-uns de ses prototypes - LOFAR, MeerKAT, NenuFAR - sont déjà opérationnels. Leurs champs de vue et leurs sensibilités permettent de poser un regard neuf sur notre Univers.

« Je présenterai ces projets, ainsi que les résultats scientifiques les plus importants concernant la physique des trous noirs supermassifs, la dynamique de la structure à grande échelle, ou encore les interactions magnétiques entre certaines étoiles et leurs exoplanètes. »

La radioastronomie est moins connue que l’astronomie dans le domaine visible, avec ses belles images.

La radioastronomie, c’est le domaine des ondes dont la longueur d’onde est comprise entre le millimètre et le kilomètre, c’est-à-dire un domaine de fréquence entre un et un million de MHz.

Plusieurs types d’ondes radiométriques sont émises dans ce domaine de la radioastronomie, le plus important est la raie de 21 cm de l’Hydrogène neutre (nommé HI ou H1). En effet, l’Hydrogène est l ‘élément le plus répandu de l’Univers ; il émet une raie caractéristique de 21 cm de longueur d’onde (ou 1420 MHz), lorsqu’il est dans son état le plus froid (par exemple dans les grands nuages d’H neutres et froids entre les étoiles, ou dans le disque des galaxies spirales).

La mesure de cette raie, permet d’atteindre la quantité d’H présente et sa proportion par rapport aux étoiles et poussières.)

Une image contenant objet d’extérieur, étoile, sombre, ciel nocturne

Description générée automatiquement

L’émission de cette raie est due au mouvement des électrons autour du noyau qui induit une transition entre deux sous-niveaux créés par l’orientation magnétique du spin de l’électron. Voir les explications plus complètes en référence plus bas.

Cyril nous fait remarquer que cette émission est très rare (une fois tous les millions d’années approx) mais, il y a énormément d’hydrogène dans l’Univers !!!

Illustration M101 en visible à gauche et en 21 cm à droite à la même échelle. (photo : DR)

Il existe aussi un deuxième type de rayonnement, le rayonnement synchrotron. C’est un rayonnement émis par des particules chargées se mouvant dans un champ magnétique. Leurs trajectoires sont déviées par ce champ, généralement elles suivent un cercle

Les électrons tournant à une vitesse proche de celle de la lumière dans le vide, et à chaque fois qu’ils rencontrent un champ magnétique pour les mettre sur la bonne trajectoire, ils perdent un peu d’énergie et émettent une lumière bien particulière, appelée rayonnement synchrotron, on l’a aussi appelé rayonnement de courbure.

Ce rayonnement radio correspond par exemple à de la matière qui tombe en spirale dans un trou noir.

Puis, on a eu l’idée de combiner les signaux de plusieurs antennes et de les faire interférer, cela correspond à un radiotélescope plus grand, d’une taille égale à la distance entre les deux antennes les plus éloignées !!!

Ce fut l’idée de la construction du réseau VLA (Very Large Array) ou ALMA par exemple.

Cela a donné naissance à un projet encore plus récent le SKA : Square Kilometer Array, réseau d’un km carré.

Il est établi en Australie et en Afrique du Sud, à 9000 km l’un de l’autre.

Une image contenant extérieur, eau, terrain, plage

Description générée automatiquement

Ce devrait être le plus grand radiotélescope du monde avec près de 3000 antennes sur des dizaines de km. Ces antennes sont reliées par fibre optique et constituent une surface équivalente d’un km carré !

Cet ensemble devrait être 50 fois plus sensible que les radiotélescopes actuels.

La quantité d’information est phénoménale, de l’ordre de 1 exa Octet par jour (exa = 10¹⁸ ; peta = 10¹⁵ ; tera = 10¹² ; giga = 10⁹ )

Comme déjà dit, SKA, c’est un réseau de radiotélescopes déjà existants aussi, comme :

· MeerKAT (d’après le nom d’un suricate africain) KAT = Karoo Array Telescope

· La phase 1 de 2020 à 2024 : 131.000 télescopes basse fréquence en Australie occidentale (SKA1-LOW) et 200 télescopes en Afrique du Sud (SKA1-MID)

· La phase 2 (SKA2) vers 2030, devant être l radiotélescope ultime en basse fréquence de ce siècle.

Actuellement, le système peut fonctionner même s’il n’est pas complet. Il devrait être capable de permettre de détailler les premiers instants de l’Univers. Notamment de comprendre la période appelée âges sombres qui a succédé au CMB.

LOFAR est un système européen de radiotélescopes (approx 100.000 antennes) piloté par un centre aux Pays bas. Il est actuellement équivalent à un radiotélescope de 1500 km de diamètre.

LOFAR est constitué d’approx 50 stations en Europe. En France, c’est le centre de Nançay.

Le site de Nançay inclut aussi, le système NenuFAR (New Extension in Nançay Upgrading Lofar).

NenuFAR est un très grand radiotélescope basses fréquences, qui comptera parmi les plus puissants du monde dans sa gamme de fréquences, entre 10 MHz et 85 MHz. Cette gamme correspond à la « fenêtre » de plus basse fréquence dans laquelle on peut observer avec des radiotélescopes sur la surface de la Terre.

NenuFAR, optimisé pour la gamme de fréquences de 10 MHz à 85 MHz (longueur d’onde λ de 4 m à 30 m), y aura la meilleure sensibilité.

· La détection et l’étude des exoplanètes (planètes tournant autour d’étoiles autres que le Soleil) en radio ;

· La détection du signal radio de l’ « Aube Cosmique » (moment de la formation des premières étoiles et galaxies), quelque 100 millions d’années après le Big Bang ;

· L’étude des pulsars (étoiles mortes hyperdenses et fortement magnétisées en rotation rapide) à basses fréquences.

NenuFAR permettra aussi de nombreuses autres études : émissions radio d’étoiles éruptives ou magnétisées, galaxies et amas de galaxies, raies spectrales dans le milieu interstellaire, éclairs d’orages planétaires, sursauts radio de la magnétosphère de Jupiter, du Soleil, et diverses sources encore inconnues (dont peut-être des signaux radio liées aux événements catastrophiques provoquant l’émission d’ondes gravitationnelles)

· Un radiotélescope permettant de former de multiples faisceaux récepteurs très sensibles répartis à volonté entre 10 et 85 MHz ; un mode spécial est destiné à la détection des pulsars ; un autre – en cours d’étude – est destiné à la recherche de possibles signaux extraterrestres artificiels (programme SETI = Search for Extra Terrestrial Intelligence) ;

· Un imageur radio autonome, permettant de construire des images radio du ciel en quelques secondes (à la résolution – la finesse des détails distinguables – de ~1°) à quelques heures (à la résolution de ~10 minutes d’arc);

· Une « super station » de LOFAR, extension géante de la station LOFAR de Nançay, permettant à NenuFAR+LOFAR de réaliser des images radio du ciel à la résolution ≤1 seconde d’arc

LOFAR a déjà couvert 20% du ciel et détecté près de 4 millions de sources, mais le manque de main d’œuvre pour les traiter est criant !

Cyril nous indique qu’ils envisagent de faire appel au public dans le cadre d’un grand mouvement coopératif. Ce projet coopératif est baptisé « Lofar Radio Galaxy Zoo ». Les internautes sont invités à analyser le même coin du ciel à la fois en radio et en optique et de comparer.

Les relevés LoTSS ((LOFAR Two Meter Sky Survey) explore la voûte céleste entre 120 et 168 MHz en utilisant les antennes hautes fréquences HBA de Lofar. 16.000 heures d’observation.

Résultats très probants, voir la comparaison du centre galactique avant (avec le VLA) et après MeerKAT.

Prochaine conférence SAF : Le mercredi 13 Octobre 2021 19H00 au CNAM amphi Grégoire. Benjamin Quilain du Labo Leprince Ringuet (École Polytechnique), nous parlera DES NEUTRINOS, DÉCOUVERTES, MASSE, ANTIMATIÈRE ETC..