Le télescope SKA un projet pharaonique exaltant qui pose des défis à hauteur de son ampleur

La communauté mondiale des astrophysiciens s’est lancée dans un projet pharaonique qui pousse les limites de ce que l’on peut faire sur Terre, le télescope « SKA », « Square Kilometer Array ». Il s’agit de construire dans l’hémisphère Sud (Australie et Afrique du Sud) un ensemble d’antennes recueillant les ondes radio et fonctionnant en interférométrie. Cet ensemble sera gigantesque puisqu’il doit s’étendre sur deux continents, pour atteindre un km2 de surface de collecte ce qui lui permettra d’être 50 fois plus sensible que n’importe quel autre télescope radio. Il commence à voir un début de réalisation avec les sous-réseaux « ASKAP », « MeerKAT » et « MWA », trois « pathfinders » (précurseurs), en Australie et en Afrique du Sud, mais les défis sont importants et ils ne sont pas que technologiques bien que la réalisation du projet suppose l’application de technologies de pointe; ils sont aussi organisationnels et environnementaux en raison de son ampleur même.

NB : il n’est pas question ici de développer en profondeur un projet extrêmement complexe mais simplement d’attirer l’attention sur ce qui en fera un instrument très riche en potentialités et qui marquera l’histoire de l’astronomie.

Tout a commencé par des réflexions à la fin des années 1980 puis concrètement en 1993 avec la création d’un groupe de travail sur les grands télescopes et en 1997 avec le lancement d’un programme d’étude technologique en vue de la réalisation d’un « très grand radiotélescope ». Ensuite, en mai 2012, ce fut la signature d’un Memorandum of Understanding, puis la mise en place d’un « Project Office » (en Grande Bretagne, à l’Observatoire de Jodrell Bank, près de Manchester). Après d’autres (nombreuses) réunions et préparatifs, la décision fut prise de construire ce qui fut appelé le « SKA-1 » sur deux sites, en Australie Occidentale, à Mileura, près de Meekatharra, un endroit « perdu » au Nord de Perth dans le « désert de Murchison », pour les basses fréquences, et en Afrique du Sud, dans le désert du Karoo, au Nord Est du Cap ; le choix de l’hémisphère Sud et d’endroits peu peuplés étant justifié par les faibles interférences radio (« bruits ») provenant d’activités humaines.

Le coordinateur, SKAO (« O » pour « Organization »), vise à constituer une organisation intergouvernementale (« IGO »), la seconde en importance dans le domaine de l’astronomie après l’ESO (European Southern Observatory) qui s’appellera aussi le SKAO (mais avec “O” pour Observatory). Un traité international est en cours de signature pour la régir. En 2020 l’IGO SKAObservatory prendra la suite du SKAOrganization et entreprendra la construction puis la gestion du “télescope” mais cela n’empêche pas l’ « Organization » de fonctionner déjà, sous la forme d’un « Project Office » (« Bureau de projet ») car il faut finaliser la phase préparatoire! Pour accomplir cette phase, le « Bureau » a lancé en 2013 un appel budgeté à 200 millions de dollars (et financés par les agences nationales) à la communauté scientifique du SKAOrganization pour faire préciser la définition du projet par onze consortia internationaux : Assembly, Integration and Verification (AIV), Central Signal Processor (CSP), Dish (DSH), Infrastructure Australia (INFRA AU), Infrastructure South Africa (INFRA SAU), Low-Frequency Aperture Array (LFAA), Mid-Frequency Aperture Array (MFAA), Signal and Data Transport (SaDT), Science Data Processor (SDP), Telescope Manager (TM), Wideband Single Pixel Feeds (WBSPF). Les seuls noms de ces différents « groupes » aident à comprendre (un peu) la nature de leurs travaux puisque ce sont ceux de tous les domaines où il convient d’affiner les préparations.

NB: Les pays membres du SKAO ont fluctué avec le temps. Aujourd’hui, l’Australie, l’Afrique du Sud, la Chine, l’Italie, le Portugal, les Pays-Bas et le Royaume-Unis ont confirmé leur adhésion au SKAObservatory en signant le traité de l’IGO qui l’institue. L’Allemagne, l’Espagne et la France (CNRS avec l’Observatoire de Paris, l’Observatoire de la Côte d’Azur, l’université de Bordeaux et l’Université d’Orléans) sont membres spéciaux de SKAOrg. Comme la Suisse (EPFL, UniGE, UniZH, FHNV, CSCS), le Japon et la Corée, L’Inde et la Suède, également membres du SKAOrganization, ils se préparent à signer le traité de l’IGO du SKA Observatory mais n’en sont donc pas encore des membres confirmés. Le Canada est membre de SKAOrg depuis longtemps et décidé à continuer, mais refuse de signer un traité pour un projet scientifique, il deviendra membre associé de l’IGO. 

Techniquement le SKA doit couvrir continûment un spectre de fréquences (une « bande passante ») très large (longueurs d’ondes centimétriques à métriques) allant de 50 MHz à 14 GHz dans ses deux premières phases de construction et, dans une troisième phase, jusqu’à 30 GHz. La première phase, “SKA-1”, couvrira les fréquences basses (50 à 350 MHz, « SKA1-LOW ») et moyennes (350 MHz à 14 GHz, « SKA1-MID ») et doit permettre d’ici 2028 l’établissement d’environ 10% de la surface de collecte totale prévue. Plusieurs types d’antennes seront utilisés ; des antennes dipolaires pour les fréquences basses et des antennes paraboliques de 15 mètres de diamètre pour les fréquences allant de 350 MHz à 14 GHz (dans un premier temps). Bien entendu ces antennes ne seront que la « partie visible de l’iceberg » puisqu’il faudra coordonner leur fonctionnement, recueillir les données collectées (plus de 7 terabits/seconde !), les traiter (« traitement du signal »), c’est-à-dire les corréler, les stocker, les analyser, et tout cela sur des quantités énormes ce qui suppose des moyens informatiques extrêmement puissants (plusieurs centaine de pétaflop/seconde de vitesse de calcul). La clef de voûte de l’ensemble sera le « télescope manager » (TM) cité plus haut qui fait aussi l’objet d’un groupe de travail.

L’ensemble des antennes doit être implanté dans deux régions (Afrique du Sud et Australie), chaque station étant divisée en trois zones : un centre, réseau dense comprenant la moitié de la surface collectrice ; une région intermédiaire et une région extérieure, en bras spiraux. Plus on s’éloignera du centre plus la densité diminuera. Les antennes de fréquences basses seront réparties entre les zones centrale et intermédiaire, les régions externes ne contenant que des antennes à fréquences moyennes ou hautes. En Australie, l’observatoire basse fréquence comprendra 512 stations sur une base de 40 à 65 km. Chaque station comprendra 256 antennes, soit un total d’environ 130.000 antennes. En Afrique du Sud, l’objectif de la première phase est d’ajouter 133 antennes paraboliques aux 64 déjà installées dans le site précurseur MeerKAT. Elles seront disposées sur une base d’une envergure de 150 km. Le but ultime est d’étendre le SKA jusqu’à 10 fois cette taille, avec un million d’antennes basses fréquences et 2000 antennes paraboliques moyennes et hautes fréquences. Les travaux doivent commencer en 2023, et dès 2028, à l’achèvement de la première phase, on devrait avoir décuplé la capacité d’observation disponible sur Terre aujourd’hui en fréquences radio, et ceci pour un investissement proche de 1 milliard d’euros.

Pour le moment nous en sommes aux installations « précurseures » (« pathfinder »). C’est le cas de ASKAP en Australie occidentale (réseau de 36 antennes paraboliques) et c’est aussi le cas de MeerKAT en Afrique du Sud (réseau de 64 antennes paraboliques) et de Murchison Widefield Array  au Nord de Perth en Australie Occidentale (au Murchison Radio Astronomy Laboratory) pour les basses fréquences (70 à 300 MHz).

Les objectifs de SKA rejoignent assez largement ceux de CHIME et de DSA. Il s’agit de détecter la présence et l’évolution de l’hydrogène dans l’espace galactique et intergalactique lointain avec fort décalage vers le rouge, aux environs de 5 à 6 milliards d’années (il s’agit toujours d’observer la période pendant laquelle l’accélération de l’expansion a commencé à se manifester, quelques 7 milliards d’années après le Big-Bang), en ciblant la raie à 21 cm de l’hydrogène neutre (HI). Les télescopes plus anciens pouvant difficilement étudier cet élément au-delà de 2,5 milliards d’années. Il s’agit aussi d’observer la formation des premiers objets lumineux dans l’Univers, l’« Aube cosmique », après l’« Age des ténèbres », 100 à 180 millions d’années après le Big-bang, quand la concentration de matière sous l’effet de la force de gravité (s’exerçant sur les masses d’hydrogène et d’hélium) a provoqué l’apparition des premières étoiles et des premières galaxies. C’est à cette époque de concentration que se sont formés les vides entre les masses et que l’hydrogène s’est ionisé en conséquence de l’activité des premières étoiles. L’observation est difficile compte tenu de la distance et de l’environnement moins ancien beaucoup plus lumineux mais elle sera très utile car elle doit permettre d’obtenir une carte de l’Univers après le fond diffus cosmologique (CMB) et donc de mieux suivre son évolution en donnant une autre étape de référence dans son histoire. Il s’agit aussi de chronométrer simultanément autant de pulsars que possible, ces objets ultra-denses (étoiles à neutrons) qui émettent avec une périodicité extrêmement régulière (stabilité allant jusqu’à 10-16) des rayonnements radio très brefs et très rapides. Cette régularité en fait de véritables « phares cosmiques » et toute infime perturbation dans le temps de transmission du signal de l’un d’entre eux par rapport au temps de transmission du signal des autres, pourra indiquer le passage d’ondes gravitationnelles. Il s’agit encore d’étudier les champs magnétiques divers qui existent dans l’espace pour toutes sortes de raisons et par conséquent non seulement leur densité mais aussi leur source de magnétisation. Les mesures seront faites en observant les rotations imprimées par les champs ionisés sur la polarisation des ondes radio (rotation de Faraday).

NB : le signal provenant de sources radio est polarisé linéairement et sa direction de polarisation tourne lorsqu’il traverse un plasma magnétisé avant d’atteindre nos télescopes terrestres. Cette rotation dépend de la longueur d’onde observée et d’une grandeur (la « Rotation Measure », RM) qui dépend de l’intensité du champ magnétique traversé.

Le grand avantage du SKA par rapport aux meilleurs radiotélescopes actuels, c’est qu’il portera le nombre de sources radio avec une mesure RM, de quelques 40 000 à plusieurs millions. Un autre intérêt du SKA, d’autant qu’il aura un très large champs de vision avec une très large bande passante, est qu’il pourra percevoir un grand nombre de FRB (“Fast Radio Bursts” ou “Sursauts Radio Rapides”, voir mon article du 31/08/2019). Il l’a déjà « annoncé » en fournissant avec son précurseur australien ASKAP, les coordonnées d’un des premiers FRB identifié. Pour être plus précis (mais moins clair!), il faut mentionner que le Bureau du SKAO a constitué une structure de recherche en onze autres groupe de travail. Là aussi vous ne verrez que des noms mais ils donnent également une idée de tous les sujets qui vont être approfondis : Epoque de re-ionisation, Cosmologie,  Physique fondamentale avec pulsars, Univers transitoire, Continuum extragalactique, magnétisme cosmique, berceau de la vie, hydrogène neutre dans les galaxies, raies spectrales extragalactiques, notre galaxie, physique solaire et héliosphérique. Vaste programme!

« Petit » problème : toutes ces installations utilisent des surfaces au sol très importantes. Même dans les régions désertiques il y a des gens et certains n’aiment pas qu’on vienne occuper leur territoire. Les indigènes nomades du désert du Karoo en Afrique du Sud ont ainsi exprimé leur opposition au projet. Ceci fait penser aux objections soulevées par les Hawaïens qui se sont élevés, pour des raisons religieuses, contre l’implantation du Thirty Meter Telescope au sommet du Mont Mauna Kea sur l’ile de Hawaï ou, pour des raisons « écologiques » (mais qu’on peut assimiler à des raisons religieuses!), sur le sommet de l’île de La Palma aux Canaries (« back-up » du Mauna Kea).

L’intérêt du SKA est donc son immense champs de vision et sa très large bande passante. C’est incontestablement une révolution en astronomie. Nul doute que si le projet est mené à son terme, il nous apportera une quantité extraordinaire d’informations et que nous acquerrons donc (entre autres !) une connaissance bien meilleure des masses d’hydrogène et de leur répartition, donc de la Matière en général qui nous entoure. Le seul vrai problème est d’ordre environnemental. Dans tous les domaines ce sujet est maintenant à prendre en considération puisque les populations en sont devenues conscientes et si elles ne le sont pas spontanément, nul doute que certains savent susciter leur attention et la stimuler. On est passé d’une indifférence totale il y a une trentaine d’années à une opposition de nature quasi allergique aujourd’hui. Raison de plus pour penser à l’espace, lieu immense et libre, pour à l’avenir y développer davantage nos observatoires, avec des groupes de télescopes coordonnés flottant dans le vide, comme celle du projet Darwin, ou avec des installations sur la face cachée de la Lune, à l’abri donc de toute pollution par l’activité terrestre et facilement accessible depuis la Terre ou, bien sûr, des installations à la surface de Mars.

Image de titre : cœur de SKA sur 5 km de diamètre MeerKAT. Vue d’artiste, crédit Wikipedia commons.

Image ci-dessous : vue aérienne des antennes du précurseur ASKAP de SKA. Crédit SKAO. Au premier plan les antennes basses-fréquences.

Photos ci-dessous: le Champ d’antennes paraboliques de MeerkAT, crédit SKAO.

Liens :

https://www.skatelescope.org/

https://switzerland.skatelescope.org/welcome/

https://ska-france.oca.eu/fr/ska/le-projet

http://savethekaroo.com/

Pour (re)trouver dans ce blog un autre article sur un sujet qui vous intéresse, cliquez sur:

Index L’appel de Mars 19 09 20

Pierre Brisson

Pierre Brisson

Pierre Brisson, président de la Mars Society Switzerland, membre du comité directeur de l'Association Planète Mars (France), économiste de formation (Uni.of Virginia), ancien banquier d'entreprises de profession, planétologue depuis toujours.

13 réponses à “Le télescope SKA un projet pharaonique exaltant qui pose des défis à hauteur de son ampleur

  1. “Le seul vrai problème est d’ordre environnemental.”
    NON, il y a aussi un pb sociologique : certains vous diront qu’on aurait pu faire plein de choses pour notre vrai maison , la planète Terre , qui brule.
    et non pas gaspiller tout cet argent pour “écouter l’hydrogène…”
    on l’ecoute , et on en sait plus sur ce qui s’est passé il y a quelques milliards d’années ? la belle affaire !
    hobbie d’astronomes.

    1. Votre réaction est, hélas, typique de celles de beaucoup de nos contemporains, elle n’est donc pas surprenante mais elle est triste. On pense d’abord “à son petit confort” et on se moque des grandes questions que depuis des siècles on s’est posées en tant qu’hommes face à l’Univers. Et bien je ne suis pas du tout d’accord avec vous; nous n’avons évidemment pas les mêmes priorités. Heureusement il y a encore pas mal de gens qui pensent comme moi, avec les moyens financiers qui nous permettent de continuer à faire progresser notre compréhension du monde.
      Sur le fonds, je ne vois pas très bien ce que ferait les 650 millions consacrés à ce télescope pour résoudre votre “problème” sociologique. Puisque vous êtes sans doute Français (adresse “.fr”), savez vous que le budget annuel de la sécurité sociale française est de 750 milliards d’euros et celui de la défense, 36 milliards d’euros? Alors “mes” 650 millions d’euros, “je me les garde”!

      1. ” mon petit confort ” ??? les gens qui subissent les inondations, tempêtes, canicules apprécieront…
        quand à .fr ou .ch , c’est hors de propos, le telescope et le déréglement climatique sont internationaux…

        1. J’ai utilisé la référence “.fr” pour “parler” plus clairement au public français mais évidemment que le télescope et les perturbations climatiques sont internationales (ce point de vue me permets d’ailleurs de faire remarquer que le prix que chacun des nombreux pays membres paye à ce stade pour participer au SKA n’est qu’une petite fraction des 650 millions).
          Je refuse en tout cas de participer à l’hystérie collective concernant le climat et je fais confiance à l’ingéniosité humaine pour surmonter les perturbations actuelles…si l’explosion démographique dans certaines régions du monde nous en laisse le temps! Je refuse en même temps de renoncer à mettre en oeuvre nos capacités scientifiques pour développer nos connaissances de l’Univers; c’est aussi ce qui fait de nous des êtres humains.

    2. Cher Monsieur,

      N’ayez crainte , nous sommes assez de terriens sur cette magnifique planète pour explorer et travailler sur divers problèmes en même temps .

      De plus , c est souvent dans la conjugaisons des différentes disciplines que des solutions originales émergent .

      Votre commentaire est dérangeant dans le sens où il ignore voir remet en question un de nos plus beau trait de caractère : la curiosité.

      S’ouvrir l’esprit ne fait pas de mal, n’ayez crainte.

  2. Il est heureux que vous ayez au moins mentionné le problème écologique ! Imaginez la fabrication de 1 million (!) d’antennes et l’énergie grise de leur fabrication, les matériaux utilisés, leur transport, leur déploiement dans les endroits de la planète éloignés de tout (il faut bien sûr au moins aménager une piste d’accès pour chaque antenne, poser le câblage pour l’alimentation et les données). A-t-on aussi un petit budget pour des stations photovoltaïques pour alimenter les calculateurs et la climatisation qu’ils requièrent ?
    Votre confiance dans l’ingéniosité humaine pour surmonter “les perturbations actuelles” sont typique de beaucoup de personnes de votre génération qui manquent de connaissances quantitatives en sciences et encore plus en engineering. Elles rejettent sur nous, ingénieurs, la responsabilité de résoudre les problèmes crées par les irresponsables. Mais nous, nous savons qu’il n’y a pas de miracle. Je suis heureux de parler avec des ingénieurs de votre génération et même plus âgés qui eux se font énormément de soucis pour l’avenir de notre planète.
    Heureusement, comme vous le soulignez, ces projets pharaoniques sont financés pas des agences nationales de recherche et on souhaite que les instances démocratiques puissent garder un œil circonspect sur le but, l’ampleur et l’impact de ces projets.
    Moi qui travaille dans l’astronomie et parfois pour le spatial je suis heureux de constater qu’une partie de la communauté est très concernée par les problèmes environnementaux et ne pense pas que notre quête de connaissance justifie tous les moyens.
    Je me prends à rêver que le blog espace/astronomie puisse être repris pas une personne plus critique qui n’ait pas votre optimisme béat et qui ne nous fasse pas subir la propagande du tout-à-l’espace.

    1. Merci pour vos « amabilités » et votre esprit de tolérance !
      Je suis conscient de l’impact de notre technologie sur notre environnement et des inconvénients qu’il peut présenter mais je pense que certaines pollutions sont plus graves que d’autres, par exemple celle des bouteilles et des sacs en plastique, celle des décharges publiques non traitées ou celle des constellations de satellites sur orbite dans la zone 600 à 1500 km d’altitude, et que certaines destructions sont plus graves que d’autres, par exemple la déforestation des zones intertropicales.
      Je suis également conscient des problèmes d’infrastructures que posent l’installation puis le fonctionnement du SKA. Je l’évoque aussi d’ailleurs et je suis certain que des gens comme vous feront en sorte que cette installation se fasse le mieux possible. C’est pour cela aussi que j’évoque à la fin de mon article l’avantage que de ce point de vue l’espace présente pour l’avenir, même si évidemment le déploiement de grands télescopes ou de flottes de télescopes coordonnés suppose encore des progrès technologiques (mais il me semble que nous ne sommes pas loin d’en avoir la possibilité). Au stade actuel, je ne pense pas qu’il faille pour autant renoncer à ce projet, ses promesses scientifiques contrebalançant largement ses inconvénients (de mon point de vue).
      Quant à la « propagande du tout à l’espace », je pense que ce dont nous souffrons aujourd’hui c’est plutôt de la propagande contraire. Pour moi la réaction anti-espace et anti-recherche pour tout ce qui n’est pas le « bien-être social », la lutte contre le réchauffement climatique ou la préservation de l’environnement, tourne à l’obsession pour ne pas dire à la monomanie (puisqu’il y a quelques variantes). Le « balancier » va beaucoup trop loin dans « l’autre sens » que celui que vous craigniez. C’est cela qui, moi, m’inquiète.

    2. Je suis ingénieur (-physicien) … et de la génération de M. Brisson. Je suis, par ailleurs, pleinement conscient des problèmes environnementaux auxquels nous devons impérativement nous atteler, ayant participé dans un cadre international à de nombreuses études sur le sujet, essentiellement liées aux questions énergétiques, à l’EPFL. Cela ne m’entraîne pas cependant à penser que toute dépense “non directement appliquée” à ces problèmes est inutile ou mal employée. L’être humain se caractérise par des besoins qui dépasse la simple satisfaction de ses nécessités immédiates (nourriture, logement, environnement “viable”). Sinon, nous n’aurions pas le niveau de connaissance de l’univers auquel nous appartenons qui est le nôtre aujourd’hui. Nous n’aurions pas non plus d’oeuvres artistiques (aucunement “rentables” du point de vue évoqué plus haut :-)!). Ce n’est pas comme si les sommes consacrées à des recherches plus fondamentales, ou aux retombées moins immédiates, allaient manquer pour traiter les autres problèmes. Si on pense simplement aux sommes énormes consacrées dans certains pays, déjà surarmés, à la “défense” (hum!), on a encore de la marge! Cela me rappelle un éminent spécialiste en oncologie, qui reconnaissait que la médecine avançait aujourd’hui dans le domaine du traitement du cancer aussi vite qu’il est possible et que doubler par exemple les sommes mises à disposition des chercheurs ne permettrait pas forcément des progrès beaucoup plus rapides. Tout n’est pas qu’une question d’argent disponible. Dans le domaine de l’environnement, beaucoup peut être fait par de simples changements de certaines de nos (mauvaises) habitudes, sans que cela ne coûte nécessairement très cher.

  3. Bonjour,

    J’ai lu avec intérêt votre article mais aussi l’échange ci-dessus qui s’en est suivi, et et échange prouve bien que le seul problème de ce genre de projets scientifiques n’est pas qu’environnemental, mais également éducationnel.

    Le grand public ne voit pas l’intérêt de ces investissements financiers. Les milliards de l’assistance sociale, c’est pour lui. Le budget de la défense, c’est pour sa sécurité et ça crée des emplois dans tous les secteurs. Mais la science de pointe ?

    Je ne suis pas scientifique, mais dans mon métier (l’architecture) nous sommes confrontés exactement au même problème de fond que vous. Nous sommes perçus par le grand public comme des dilapideurs, des grands idéalistes rêveurs qui se moquent des contingences de tout un chacun. Et pour combattre celà, nous devons constament et inlassablement, investir une énergie folle pour expliquer notre rôle ainsi que nos projets. C’est à ce prix-là seul que nous parvenons, quand ça se passe bien, à faire comprendre, accepter – puis même s’enthousiasmer – les autorités et le public sur notre travail.

    Mais ce qui est certain, c’est que jamais nous n’obtiendrions de succès publics si nous disons à ce même public “l’armée et l’assistance publique nous coûtent infiniment plus cher, alors laissez-nous donc dépenser ces quelques millions comme nous l’entendons”.

  4. Bonjour à tous. Je vois qu’il règne ici une bonne ambiance. Alors je me permets d’ajouter mon humble petit mot.
    Il me semble que le but premier de la recherche est de faire grandir la connaissance. Et ce serait faux de prétendre que cela n’a pas de prix. Et au delà des petites querelles pour savoir qui fait quoi et comment, puisque personne n’a la solution aux problèmes que certain avancent fièrement, je préconise que la réponse est en chacun de nous. Le défi est d’arriver à communiquer pour se faire comprendre et mettre en relation toutes ses bonnes intentions.
    Autant vous dire qu’il y a du boulot:
    tunetoo.com/campagne/tout-cela-a-t-il-un-sens

  5. Après ces divers échanges de commentaires, d’ordre plutôt environnemental et financier, qui nous ont malheureusement un peu éloignés du sujet, revenons tout de même à la science !
    .
    Que peut-on détecter comme premiers signaux électromagnétiques de l’Univers ? Durant la période qui a suivi le Big Bang, jusqu’à quelque 380’000 années, il n’y avait encore ni étoiles, ni galaxies, mais seulement des photons mêlés à un plasma de protons et de leptons (électrons et neutrinos). Il n’y aura guère que deux sources de photons que nous pouvons encore capter aujourd’hui : ces photons « primitifs » résultant de l’annihilation de l’antimatière avec presque toute la matière, qui se découplent finalement de la matière restant vers une température de 3’000 K, et qui sont alors libérés et émis lors de ce qu’on appelle le « découplage » entre photons et matière vers l’âge de 380’000 ans de l’Univers. C’est à ce moment que se forment les atomes neutres d’hydrogène ; on appelle aussi ce moment la « recombinaison » entre électrons et protons, le terme étant trompeur, car il ne s’agissait là que de la première combinaison. À ces photons « primordiaux » enfin libérés s’ajouteront ensuite, plusieurs centaines de millions d’années après ceux provenant de la célèbre « raie de l’hydrogène », due à une transition très rare entre un état d’énergie supérieure et un état d’énergie inférieure de l’atome d’hydrogène, la fameuse raie de 21 cm. Mais, comme nous sommes à des périodes très lointaines, le non moins fameux décalage vers le rouge ou « redshift », noté z, fait que cette raie, qui est bien à 21 cm dans nos laboratoires et dans notre voisinage galactique immédiat, se trouve énormément décalée. Dans notre Galaxie, on en observe aussi bien un décalage vers le bleu qu’un décalage vers le rouge, suivant un simple effet Doppler de nuages d’hydrogène qui soit s’approchent, soit s’éloignent de nous.
    .
    Au moment très lointain dans le passé du découplage, la valeur de z était de presque 1’100. Cela signifie que, théoriquement, la raie de l’hydrogène pour les tout premiers atomes d’hydrogène formés et libres qui l’auraient émise à l’époque se trouverait pour nous à des longueurs d’onde 1’101 fois plus grandes, la relation simple étant : z + 1 = (longueur d’onde actuelle / longueur d’onde d’origine), donc maintenant vers 231 m ! Pour les fréquences correspondantes, c’est l’inverse : z + 1 = (fréquence d’origine / fréquence actuelle), et donc on n’aurait plus la fréquence originale de 1,4 GHz pour la raie de 21 cm, mais seulement 0,0013 GHz, ou 1,3 MHz pour une raie hypothétique située à une longueur d’onde de 231 m.. Bien sûr, cette raie hypothétique ne peut pas exister du fait que la rare transition entre les deux états de l’atome d’hydrogène demande plusieurs millions d’années pour se produire. Il faudra attendre l’apparition des premières galaxies, plusieurs centaines de millions d’années plus tard.
    .
    En effet, si l’on observe des galaxies qui ont été formées vers 6 milliards d’années après le Big Bang, la valeur de z est déjà tombée à presque 1. Avec z + 1 = 2, la raie de l’hydrogène se trouve à une longueur d’onde tout de même deux fois plus grande, à 42 cm, soit à une fréquence deux fois plus petite, à 0,714 GHz, ou 714 MHz. L’une des galaxies les plus lointaines, et donc parmi les plus primitives, observées à ce jour, GN-z11, a un « redshift » z = 11,09 et était située à 13,4 milliards d’années-lumière lorsqu’elle nous a envoyé sa lumière que nous voyons aujourd’hui de façon très rougie. Les nuages d’hydrogène neutre qui s’y trouvent nous envoient donc sa raie non plus à 21 cm et 1,4 GHz, mais à 2,54 m et à 0,118 GHz, soit 118 MHz.
    .
    L’autre rayonnement omniprésent et quasi isotrope dans le ciel, le « rayonnement fossile » bien connu, dit aussi du « fond cosmologique », est celui qui provient du fameux « découplage » lui-même vers l’âge 380’000 de l’Univers. Il est l’image fossile d’un fond rayonnant alors à une température de 3’000 K, qui, du fait du décalage vers le rouge, z = 1’100, n’est plus qu’à une température apparente de 2,726 K pour nous. Autrement dit, selon la « loi du déplacement de Wien », qui relie la température à l’inverse de la longueur d’onde maximale, la fréquence du maximum de ce rayonnement est passée des 176 THz d’origine (dans le spectre visible) à seulement 160,2588 GHz précisément aujourd’hui (dans le domaine des ondes radio). La mesure de ce rayonnement fossile est désormais bien documentée et ce sont ses très faibles variations ponctuelles, de l’ordre du millionième de K, qui permettent de se faire une idée des premières structures en devenir du jeune Univers.
    .
    On voit donc qu’il est important que les nouveaux radiotélescopes puissent travailler dans une large gamme de 50 MHz à 14 GHz et demain jusqu’à 30 GHz pour capter ces raies d’hydrogène provenant de galaxies plus ou moins lointaines, donc plus ou moins primitives.

    1. Merci Monsieur de Reyff pour cette brillante explication qui justifie clairement l’intérêt de champs de télescopes nous permettant de couvrir une large bande passante allant de 50 MHz à 30 GHz.

    2. Pendant ma visite à Nançay, j’avoue ne pas avoir perçu ces précieux détails. Cela m’a ouvert ne serait-ce qu’un peu plus, les yeux.(a mon humble niveau de compréhension bien sûr.)
      Merci à vous, professeur.

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