La réception d’un signal radio émis il y a 8 milliards d’années-lumière !
L'impulsion d’une milliseconde (Fast Radio Bursts) captée et baptisée 20220610A par l'Australian Square Kilometre Array Pathfinder a libéré autant d’énergie que le Soleil en émet en 30 ans (publication du 19 octobre-2023 dans la revue Science). Son énergie surpasse de 3,5 fois les précédentes observations, et environ 10 % des étoiles de plus de 1,5 fois la masse du Soleil possèdent des champs magnétiques très intenses. L'origine des FRB reste une énigme. Un millier a été détecté depuis 2007 mais les astronomes n’ont pu déterminer leur galaxie d’origine que pour une cinquantaine d’entre eux. Un recoupement avec le Very Large Telescope de l’Observatoire européen austral situé dans le désert de l’Atacama (Chili) a permis aux radioastronomes de localiser la radio-source dans « un groupe de deux ou trois galaxies en plein processus de fusion, d’interactions et de formations de nouvelles étoiles ».
« Cette découverte concorde avec les théories actuelles suggérant que les sursauts radio rapides pourraient provenir de magnétars (étoile à neutrons) ou d’objets hautement énergétiques, résultant de l’explosion d’étoiles ou celui de la matière manquante. Quarante pour-cent d'hydrogène et d'hélium ont disparu depuis le Big Bang survenu il y a environ 13,8 milliards d'années. Ces gaz auraient diffusé dans les filaments qui relient des amas de galaxies pouvant atteindre 300 millions d'AL « Il faut imaginer une structure d’un milliard d’années-lumière de diamètre, dix mille fois plus large que notre Galaxie. Située dans ce que les astronomes appellent l’Univers proche, à environ 820 millions d’années-lumière de la Voie lactée » Daniel Pomarède.
Pendant des siècles, l'origine de l'Univers ne pouvait être que d'ordre religieux. Le 17 février 1600 Giordano fut brûlé vif après sept années passées dans un cachot pour avoir soutenu que la voie lactée était un anneau d'étoiles semblables au soleil ! Galilée, 69 ans, préféra abjurer la doctrine copernicienne (héliocentrisme) devant le tribunal de la Sainte inquisition (1633). Il faut attendre le XVIII° siècle pour que la pensée scientifique et l'astronomie parviennent à se détacher de la religion et du royaume des Cieux.
L'épopée de la radio est une succession d'inventions suivies d'innovations dont la source repose sur la loi de l'induction de Faraday (1845) et de Maxwell qui émit l'hypothèse, en 1888, que les champs électromagnétiques voyageaient dans l'espace sous forme d'ondes à vitesse constante. L'année suivante, Hertz démontra que les ondes radioélectriques se propageaient en ligne droite dans le vide à la vitesse de la lumière. Jusqu'alors les scientifiques pensaient que la lumière devait emprunter un support (l'eau ou l’Éther).
Galilée a entrevu le principe de la relativité, la Terre est immobile par rapport à la Lune, mais en mouvement par rapport au Soleil qui tourne autour du centre de notre Galaxie. En 1916 Albert Einstein postule que la loi de Newton est partiellement inexacte. Elle ne s'applique pas lorsque la force de la gravitation est très importante, et seuls existent des mouvements relatifs. L'espace et le temps peuvent être considérés comme un continum à quatre dimensions (longueur, largeur, hauteur et temps). « La durée ou la distance qui sépare deux événements dépend de l'état de mouvement de celui qui la mesure. Ce facteur tend vers zéro quand la vitesse s'approche de la vitesse de la lumière dans le vide ». Dit autrement, la durée de déplacement des passagers d'un vaisseau spatial filant à la vitesse de la lumière serait inférieure à celle mesurée par un observateur terrestre.
Si l’astrophysique passionne un large public, elle reste l'une des disciplines les plus complexes, et la théorie de la relativité générale a apporté le cadre nécessaire pour appréhender l'évolution de l'Univers. Les astronomes, astrophysiciens et cosmologues allaient pouvoir prédire l'existence d'étoiles à neutrons, les trous noirs, les quasars (objets relativement petits qui émettent cent fois plus d'énergie qu'une galaxie et dont les ondes mettent des milliards d'années pour atteindre la Terre), les pulsars (vestiges d'étoiles mortes) qui tournent sur eux même en émettant des impulsions radioélectriques, et les ondes gravitationnelles.
Des scientifiques scrutent le ciel depuis des décennies à la recherche de signaux pouvant fournir des indices sur la composition et l’évolution de l’Univers. En 1930, un ingénieur de la compagnie Bell chargé de découvrir l'origine de parasites gênant la liaison Amérique-Angleterre, capte des parasites provenant de l'atmosphère sur la longueur d'onde de 14,6 mètres (20,5 MHz). Il remarque que le bruit varie au cours de la journée et selon un cycle de 24 heures, celui de la rotation terrestre. En utilisant une antenne orientable pointée vers la voie lactée en direction du Sagittaire, le bruit s'amplifie, puis s'amenuise lorsqu'on s'en écarte. La radio-source fut localisée aux coordonnés α = 18 h (270°) et δ = -10°. La radioastronomie était née. Six années plus tard Grote Reber capte des signaux sur 1.87 m (160 MHz) grâce au premier radiotélescope à antenne parabolique. En 1942 un radariste remarque que la longueur d'onde de 2 m (150 MHz) est brouillée lorsque la parabole est dirigée vers le soleil !
Les planètes émettent deux types de rayonnements radioélectriques, un rayonnement thermique et un rayonnement électromagnétique. Les émissions cosmiques qui atteignent la Terre sont très faibles et le rayonnement fossile (bruit cosmique) génère une agitation thermique suffisante pour masquer le signal radio lors de sa traversée interstellaire. Il faut utiliser des préamplificateurs et amplificateurs à faible bruit et refroidis par un agent réfrigérant. Les premières radio-sources galactiques furent découvertes au début des années cinquante en Australie avec un radio-spectrographe.
Les ondes électromagnétiques correspondent aux mouvements des électrons dans le champ magnétique de la planète. Ces ondes proviennent essentiellement de gaz ionisés (plasma d'électrons, de protons et d'ions), et la fréquence est en relation avec la densité des électrons du milieu (f = 9√Ne nombre d'électrons par m3). Pour rappel, la longueur d'onde (λ) est égale à 30 000 000 / fréquence (en cycles par seconde). L'état d'ionisation peut être aussi défini par le nombre d'atomes ionisés positifs divisé par le nombre total d'atomes. L’ionosphère agit comme un filtre passe-haut, les ondes radio-interstellaires atteignent la Terre dans la fenêtre 0,8 mm à 15 mètres de longueur d'onde. La fréquence critique correspond à la fréquence de plasma (état d'un gaz dont toutes les particules sont ionisées). Si f > fc, l'onde ne pénètre pas dans le milieu ionisé. Si f < fc, l'onde se réfléchit sur la couche ionisée (problème bien connu des radio-amateurs de longues distances).
Les radioastronomes opèrent principalement dans la bande des 21 cm (1.428 GHz), spectre d'émission de l'hydrogène neutre. Lorsque l'atome d'hydrogène (un proton et un électron) est excité, l'électron change d'orbite ce qui entraine une variation d'énergie, mais n'émet aucun rayonnement, sauf lorsque son électron tourne autour du noyau en sens inverse. L'émission radio est perceptible en présence d'un très grand nombre d'atomes d'hydrogène. La radioastronomie et les observations sur cette longueur d'onde ont permis de fixer l'âge de la Galaxie à 15 milliards d'années, l'âge de la terre est d'environ 5 milliards d'années.
Les distances sont cosmographiques. Les astronomes utilisent l'Unité Astronomique qui représente la distance Terre - Soleil, soit 149,6 millions de kilomètres - l'Année Lumière, 9.500 milliards de kilomètres (l'AL mesure la distance parcourue par la lumière en un an et dans le vide) - le parsec qui correspond à une longueur et équivaut à 3,26 AL, 206.265 UA ou 30.900 milliards de kilomètres ! La lumière d'Alpha Centauri distant du soleil de 4,3 AL met plus de cinq années (durée terrestre) pour nous parvenir ! Une sonde se déplaçant à 61.000 km/h mettrait 76 000 ans pour l'atteindre. La Galaxie la plus éloignée se trouve à 1,34 10^10 AL (il faut ajouter 10 zéros à la suite du nombre qu'il multiplie), et le diamètre de notre Galaxie qui comprend près de 200 milliards d'étoiles correspond à 100 000 AL. La plus grande unité de mesure actuelle est le yotta 10^24,
Edwin Hubble a démontré en 1924 que la nébuleuse Andromède était une galaxie bien au-delà de la Voie lactée, laissant entrevoir l'immensité de l'Univers. La théorie reposant sur l'Univers en expansion veut que les nébuleuses s'éloignent de nous avec une vitesse d'autant plus grande qu'elles sont éloignées et que les galaxies continuent de s’éloigner les unes des autres. En 1962 Minkowski releva, en observant les raies du dioxygène (O2) ionisé, que la vitesse de récession de l'amas 3 C 295 était de 138 000 km/s, et sa distance de 5 520 millions d'années lumière. Dans 1 milliard d'années, environ, elle devrait atteindre 1,3 fois la vitesse de la lumière ! La constante de Hubble (1928) nous livre une première explication : D = V/25 (Vitesse de récession des nébuleuses en km, Distance en millions d'années lumière, et 25 est égal au rapport V/r distance de la galaxie). Ce qui nous donne pour l'amas 3 C 295 : λ terrestre = 0,545 λ galactique = 0,373 soit Δ λ = 0,172 d'où V/C = 0,46 la célérité de la lumière (300 000 . 0,46) et 138 000 / 25).
En l'état actuel des connaissances nous ne savons toujours pas si l'univers est fini ou infini. La seule « certitude » est que les régions les plus lointaines observables d'où nous parvient le rayonnement fossile sont à une distance d'environ 45,6 milliards d'années-lumière. « Si ni la lumière ni la matière ne peuvent dépasser la vitesse de la lumière dans l'espace, rien n'empêche l'espace entre deux objets de se dilater à une vitesse bien supérieure ». Une correction, une précision, ou une remarque ?
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