Radioastronomie

La radioastronomie est une branche de l' astronomie traitant de l'observation du ciel dans le domaine des ondes radio. C'est une science relativement jeune qui est née dans les années 1930 mais qui n'a pris son essor que dans les années 1950/1960 avec la réalisation de grands instruments ( Parkes, Greenbank, Arecibo, Jodrell Bank, Westerbork et Nançay). Tout le spectre radio présente un intérêt pour l'astronomie et la cosmologie mais pour des raisons techniques les fréquences observées sont limitées à l'intervalle compris entre 1 MHz et environ 1 000 GHz.

Les observations de ces signaux de puissance généralement faible sont très sensibles aux interférences d'origine humaine ou terrestre et sont noyés dans le bruit cosmique. Pour isoler les signaux et fournir des mesures précises, elles nécessitent la mise en œuvre d'instruments de très grande taille, les radiotélescopes, qui mobilisent de ressources à l'échelle nationale voire internationale ( ALMA, LOFAR, SKA). Les signaux des radiotélescopes individuels sont souvent combinés ( interférométrie). Des observatoires spatiaux sont également utilisés pour des mesures nécessitant un environnement non reproductible sur Terre ( Planck,...) ou pratiquer une interférométrie à très large base ( RadioAstron).

La radioastronomie a apporté des contributions majeures dans des domaines comme la structure de notre galaxie (via la mesure de la répartition de l' hydrogène atomique), les processus physiques au sein de notre Soleil, la composition et l'évolution des nuages de gaz interstellaires et des pouponnières d'étoiles, la structure et l'évolution des galaxies, la détermination des paramètres cosmologiques de l'univers (analyse du fond diffus cosmologique) et enfin les processus physiques à l'origine des émissions radioélectriques des plasmas, des planètes et du milieu interplanétaire de notre système solaire.

Historique

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 Herz 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 XXème siècle, plusieurs chercheurs (Oliver Lodge, Nodmann,...) 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 de 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'ondes 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'ondes 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'ondes 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 Nancay ( Cher) avec 32 radiotélescopes alignés, inaugurée en 1956.

Le , 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].

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