Les nouvelles techniques d'observation (II).

Les radiotelescopes

En 1965, deux ingénieurs, Penzias et Wilson transforment une antenne qui servait jusque là à capter les signaux des premiers satellites en radiotélescope. Ils le règlent sur la longueur d’onde de 7,35 cm et découvrent ainsi une des premières confirmation du Big Bang. Ils viennent en effet de découvrir le rayonnement de fond de l’Univers " rayonnement fossile " qui est le premier rayonnement émis par l’Univers.

Un radio télescope est en fait un appareil récepteur utilisé en astronomie dans lequel les ondes reçues sont focalisées par un miroir vers une antenne reliée à un récepteur-enregistreur.

La découverte de Penzias et de Wilson entraîna un grand intérêt pour ce type de télescopes qui continuent à se développer et gagnent de plus en plus en précision.

Les télescopes gamma

Présentation

Les rayons gamma constituent la forme extrême du rayonnement électromagnétique ; ils sont associés au phénomène de radioactivité, et foisonnent dans les cœurs des centrales nucléaires. Les sources astrophysiques de rayonnement gamma sont toujours d'une violence fantastique, comme les supernovas ou les quasars, et les mécanismes d’émission impliquent généralement des particules à haute énergie. Contrairement à la majorité des autres domaines du spectre électromagnétique, il reste encore mal exploré. C'est pour combler en partie ce retard que le projet du satellite INTEGRAL a été conçu.

Difficultés

Le rayonnement gamma est très difficile à observer; tout d'abord parce que notre atmosphère constitue un écran totalement opaque au rayonnement gamma. Ceci est en fait plutôt heureux, car, comme on l'a bien appris avec la radioactivité, le rayonnement gamma est dangereux. Pour les astronomes, cela signifie qu'il faut s'affranchir de l'atmosphère en plaçant le détecteur dans un ballon ou, nettement mieux mais beaucoup plus onéreux, à bord d'un satellite.

Une autre difficulté de l'astronomie gamma provient de la nature même de rayonnement gamma. Plus la fréquence d'un photon est importante, plus son énergie est élevée. Cela veut dire que, à quantités d'énergie égales, une source émettrait un million de fois moins de photons gamma que de photons visible. Comme ce sont les photons que l'on détecte, le signal de cette source apparaîtrait beaucoup plus faible dans le domaine gamma que dans le domaine visible. Etant donnée la grande énergie des photons gamma, les détecteurs s'apparentent aux détecteurs utilisés en physique des particules. Or, le ciel est rempli de particules que l'on appellent "rayons cosmiques" (qui n'ont rien en commun avec le rayonnement électromagnétique). Les détecteurs de photons gamma détectent aussi ces rayons cosmiques qui les bombardent, et il est la plupart du temps impossible de distinguer la nature de ce qui a été détecté.

Il n'existe ni lentille, ni miroir pour les rayons gamma. Leur énergie est en effet tellement grande que la matière les perçoit beaucoup plus comme un "projectile" que comme une onde que l'on peut réfléchir ou focaliser. Pour se représenter comment "voit" un détecteur gamma, il suffit de fermer les yeux: On est toujours sensible à la présence de la lumière, mais il devient difficile de trouver la direction de la source de lumière, et pratiquement impossible d'en connaître la forme, ou de distinguer deux sources de lumière proches.

 Le masque codé

Un télescope conventionnel focalise la lumière au moyen de lentilles ou de miroirs. Cette méthode ne s'applique pas aux rayons gamma, qui seraient absorbés par la matière du miroir ou de la lentille. Pour obtenir une image du ciel en rayons gamma, il est nécessaire d'utiliser la technique du "masque codé".

Cette technique consiste à masquer partiellement l'ouverture du télescope et à mesurer l'ombre de ce masque projetée sur le détecteur de l'instrument. Le masque est percé d'un motif particulier placé au dessus du détecteur et projette l'ombre de la source de rayons gamma sur ce dernier. La position des zones éclairées permet de calculer la position de la source. Le principe du masque codé a été découvert par Aristote. L'ombre sur le détecteur est décalée en fonction de la position des sources dans le ciel. En connaissant l'orientation du satellite dans l'espace et en analysant les données du détecteur, il est possible de retrouver la position et l'intensité des sources de rayons gamma, et donc de reconstituer l'image de la région du ciel observée. Cette opération est cependant assez délicate dans le cas de nombreuses sources et nécessite l'utilisation de programmes d'analyse complexes. , pour la première fois, ces spécialistes (de la physique des particules, afin de concevoir le détecteur, et des mathématiques et l'informatique, afin d'extraire l'information scientifique subtilement cachée dans des données apparemment inutilisables)unissent leurs efforts pour développer des instruments à la pointe de la technologie et mettre leur longue expérience sur l'analyse des données à disposition de l'ensemble de la communauté astronomique. On peut donc s'attendre à un avancement conséquent de notre connaissance de l'astronomie gamma.

 Fonctionnement d'un télescope à rayons gamma

Le télescope à rayons gamma détecte des rayonnements très énergétiques dont la longueur d'onde est extrêmement petite (plus courte que celle des rayons X et donc de la lumière visible). Les rayons gamma pénètrent dans le télescope à travers un détecteur de particules chargées et traversent des couches de matériaux qui les transforment en couples électron-positron. Les électrons et les positrons possèdent des charges électriques, ce qui provoque des étincelles lorsqu'ils passent au travers des chambres à étincelles. Des détecteurs de lumière (photomultiplicateurs), associés à un cristal scintillant, sont placés à la base du télescope et permettent d'enregistrer les étincelles. Les astronomes peuvent ainsi reconstituer des images des objets émettant des rayons gamma.

Fonctionnement d’un télescope infrarouge

Les télescopes à infrarouge détectent des rayonnements dont la longueur d'onde est supérieure à celle de la lumière visible. Le rayonnement infrarouge capté par le télescope subit une première réflexion sur un large miroir (miroir primaire) situé à la base de ce dernier, puis une seconde réflexion sur un miroir plus petit (miroir secondaire) situé au foyer du miroir primaire. Le rayonnement infrarouge est ainsi acheminé vers les détecteurs (thermiques ou quantiques) et autres instruments d'analyse (spectromètres, photomètres, polarimètres…) situés sous les miroirs, qui permettent aux astronomes d'étudier les corps célestes (planètes, étoiles, galaxies…) émettant des rayonnements infrarouges. Il est important de noter que les télescopes à infrarouge doivent être maintenus à très basses températures (températures cryogéniques) pour éviter que leur propre chaleur ne produise un rayonnement infrarouge susceptible d'interférer avec les rayonnements observés.

Observation aux rayonsX

Les particules attirées par un trou noir effectuent une rotation autour de la singularité de plus en plus rapide. Or, plus la vitesse augmente, plus l’agitation moléculaire augmente. Ce qui résulte à une surchauffe des particules, et donc une hausse très brutale de la température. De cette manière, ces particules émettent des rayons X détectables par nos satellites télescopes hors-atmosphère. Mais la présence de rayons X dans une région donnée de l’espace caractérise soit la présence d’un trou noir, soit celle d’une étoile à neutron. Cette dernière hypothèse est écartée lorsque la masse mise en jeu est trop importante, et résulte d’un trou noir évident.

En juin 2000, Jörn Willms et son équipe ont détecté pour la première fois un trou noir, sans contestation, grâce à l'un des trois satellites XMM-Newton : Satellite "Mutli-Mirroirs" (10m) détecteur de sources lumineuses puissantes à de très longues distances (RayonsX également), lancé sur Ariane 5 à Kourou le 10 décembre 1999 par l'Agence Européenne de l'Espace -ESA-

D'autres satellites sont fréquemment utilisés pour la détection aux rayons X

- Le satellite "Hubble" (nom donné en l'honneur d'un grand astrophysicien)

- Le satellite "Chandra" -AXAF- (Nasa), plus puissant encore, qui a permis de reperer un Trou noir au centre de la Voie Lactée, notre galaxie.