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  • Judith Biernaux

FAST, un télescope radio colossal


Après cinq ans de chantier, le gigantesque télescope FAST, situé en Chine, devient opérationnel et ouvert à tous en septembre 2019. À quoi va-t-il bien pouvoir servir ?


Le radio-télescope FAST en Chine. Image : Nature /Ou Dongqu/Xinhua/ZUMA

Une gigantesque antenne de 500 mètres lovée dans une vallée verte du Sud de la Chine. Ce grand télescope s'appelle FAST, pour Five-hundred-meter Aperture Spherical Radio Telescope et permet désormais à toute la communauté astronomique d'observer le ciel dans le domaine des ondes radio. L'antenne est constituée de plus de 4000 panneaux en aluminium montés sur des manivelles, qui permettent d'adapter la forme de l'antenne pour focaliser sur l'un ou l'autre endroit du ciel.


Les attentes pour ce télescope sont élevées, même si ce n'est pas le premier instrument d'observation radio de taille impressionnante. Des précédents existent, et notamment le fameux radiotélescope d'Arecibo, du nom de l'île au large de Porto Rico sur laquelle il a été construit. Avec son antenne de 305 mètres, il a longtemps été le plus grand radiotélescope existant. Arecibo a même un statut de célébrité depuis qu'il a joué un rôle dans le Goldeneye. FAST est certes plus large, mais sa véritable innovation, c'est son pouvoir de détecter des sources d'intensité faible. Comme les humains émettent largement dans le domaine des ondes radio, les radiotélescopes doivent être infiniment plus sensibles que les autres : ils doivent donc être capable de détecter des sources noyées dans le bruit, faibles, peu puissantes. Avec un tel instrument, que détecte-t-on exactement dans le domaine radio?


Le télescope d'Arecibo apparaît dans le film Goldeneye, 17ème aventure de James Bond. Image : MGM/UA Entertainment Company.

Les pulsars


Les cibles privilégiées de la radioastronomie sont les pulsars. Leur nom est formé à partir des termes pulsating star, étoile en pulsation. Vu de la Terre, un pulsar est une étoile qui envoie des flashes brillants à intervalles réguliers, de l'ordre d'une fraction de secondes à quelques secondes. On doit la première observation d'un pulsar en 1967 à Jocelyn Bell, depuis un observatoire de Cambridge. Cette surprenante régularité dans son signal a valu à cette découverte le surnom de Little Green Man, petit homme vert, comme s'il provenait d'une machine artificielle. Quelques mois plus tard, une explication plus terre-à-terre est mise au point : les pulsars sont des étoiles en rotation rapide, qui présentent une émission lumineuse intense en forme de cône, serré le long de leur champ magnétique. Ils émettent donc beaucoup d'énergie dans une seule direction, et comme un phare en mer, cette lumière nous fait face puis nous échappe au gré de leur rotation.


Vue d'artiste d'un puslar, avec son cône de lumière intense. Image : Kevin Gill / Astronomy.

De nos jours, on recense quelques milliers de pulsars observés dans notre galaxie. Malgré leur grande distance, parfois plusieurs dizaines de milliers d'années-lumière, leur brillance permet de les repérer, à condition que leur cône lumineux intercepte notre ligne de visée. Avec sa sensibilité accrue par rapport aux radiotélescopes disponibles jusqu'alors, FAST devrait permettre de détecter plus de pulsars plus lointains encore, même en-dehors de notre galaxie.


Les pulsars résultent en fait d'étoiles en fin de vie : c'est ce qu'il reste du cœur de certaines étoiles qui ont explosé en supernova. Outre l'étude de ces dernières, les pulsars jouent un rôle important dans plusieurs branches de l'astronomie. Ils ont par exemple permis certains tests de la relativité générale qui ont confirmé sa validité. Notamment, l'observation d'un pulsar binaire a permis l'observation d'ondes gravitationnelles.


Les ondes gravitationnelles


Les ondes gravitationnelles proviennent de perturbations de l'espace-temps, comme des remous formés à la surface de l'eau quand on y jette un caillou. Ils s'agit en fait de fluctuations de gravitation qui se propagent dans l'univers à la vitesse de la lumière. Elles font partie intégrante de la théorie de la relativité, et avaient été prédites par Einstein en 1916. C'est seulement en 2015 qu'elles sont observées pour la première fois grâce à une technique baptisée interférométrie. Il s'agit de séparer un faisceau lumineux en deux parties et de les faire revenir au même point via deux parcours différent. Le motif résultant de l'interaction des deux parties réunies dépend de la différence de longueur entre les deux parcours. Si une onde gravitationnelle passait par là, elle allongerait ou ratatinerait la taille d'un des deux parcours, et le motif serait alors altéré.


En l'occurrence, c'est l'instrument LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)  qui a permis cette détection. LIGO compte deux interféromètres avec chacun deux bras de 4 kilomètres. Grâce à des jeux de miroir, la longueur du parcours de chaque moitié de faisceau atteint 1120 kilomètres. Même sur une telle taille, la variation de longueur associée à une onde gravitationnelle ne représente qu'un billiardième de millimètre, soit un millième de la taille d'un noyau d'hydrogène. Cela paraît impossible, mais l'infinie sensibilité de LIGO a bel et bien permis de détecter une source d'ondes gravitationnelles : deux trous noirs spiralant l'un vers l'autre. Cette découverte a fait l'objet d'un prix Nobel en 2017.


Vue d'artiste de deux objets massifs, comme des trous noirs ou des étoiles denses, spiralant l'un vers l'autre et créant des ondes gravitationnelles. Image : NASA.

Et les pulsars dans tout ça ? En réalité, la découverte de LIGO est la première observation directe d'ondes gravitationnelles. Bien auparavant, en 1974, une équipe de Princeton observe un pulsar un peu spécial : il s'agit d'un pulsar binaire, c'est-à-dire qu'il vit en couple avec une autre étoile. Ces deux astres se tournent l'un autour de l'autre. Puisque les pulsations du pulsar agissent comment le tic-tac d'une horloge, l'équipe a pu mesurer le temps qu'il met à faire le tour de son orbite. La conclusion était formelle : le couple d'étoiles se rapproche l'un de l'autre, et tournoie de plus en plus vite. Ils perdent de l'énergie, qui est dissipée sous forme d'ondes gravitationnelles. C'est donc un pulsar qui est à l'origine de la première preuve indirecte d'existence de ces ondes. Le nouveau radiotélescope FAST a également des ambitions dans ce domaine : les distorsions dans les battements des pulsars pourraient indiquer le passage de ces vagues gravitationnelles dans l'espace-temps.


Et quoi d'autre ?


De temps en temps, des flashes radio apparaissent dans le ciel sans se répéter régulièrement. Ils ne proviennent donc pas de pulsars. Ils durent quelques millisecondes, et même si certains se répètent, ils ne sont pas périodiques. Ils sont baptisés Fast Radio Bursts ou FRB, pour éclats radio rapides. Le premier de ces flashes a été détecté en 2007 depuis un grand radiotélescope en Australie. Vu leur éclat et leur distance, leur brillance a été estimée à hauteur de 500 millions de soleils. Leur origine... reste inconnue à l'heure actuelle ! De plus en plus d'observations de ces flashes sont réalisées, mais leur origine reste débattue à l'heure actuelle : stellaire ? cosmologique ?


Mise à part des flashes, l'astronomie radio permet de détecter un élément important : l'hydrogène. L'atome d'hydrogène émet un signal radio bien connu lorsque son énergie varie. Très pratique, puisque l'univers est essentiellement constitué d'hydrogène ! Quelle que soit la direction dans laquelle on regarde, les chances de tomber sur ce signal sont non-négligeables. La manière dont ce signal est altéré renseigne sur ce qu'il a rencontré pendant son parcours, et il permet beaucoup de recherches différentes :  vitesse de rotation de notre galaxie, distribution de matière dans la jeunesse de l'univers… Ces observations, bien que riches, ne sont malgré tout pas si simples, notamment à cause des interférences avec les signaux radios humains.


Arecibo et les extraterrestres


Une dernière utilité aux signaux radio dans l'astronomie peut donner envie de sourire. Si des civilisations intelligentes extra-terrestres existaient et envoyaient des signaux dans l'espace, ce serait probablement des signaux radios. Ainsi, depuis les années 1960, le projet SETI pour Search for Extra-Terrestrial Intelligence est à l'écoute de l'espace dans le domaine radio, à la recherche de tout signal inexpliqué : un pic, un creux, une répétition dans le fond radio qui pourrait indiquer une rémission extra-terrestre. SETI utilise notamment le télescope Arecibo, qui collecte quasi-continuellement un volume impressionnant de données. Une puissance de calcul colossale est nécessaire pour traiter toutes ces informations. En 1999, l'Université de Berkeley propose de partager le travail dans une grille de plusieurs ordinateurs… domestiques. C'est le programme SETI@home : n'importe quel particulier propriétaire d'un ordinateur peut télécharger un programme qui télécharge et traite un petit paquet de données radios d'Arecibo (et d'autres télescopes). Si les résultats scientifiques de SETI@home sont encore inexistants, ce programme a pu démontrer l'efficacité du calcul distribué, aujourd'hui utilisé dans plusieurs disciplines.


Outre écouter le ciel, Arecibo a également servi en novembre 1974 à envoyer un message dans l'espace, plus précisément vers l'amas d'étoiles M13, dans la constellation d'Hercule. Ce message, comme une bouteille à la mer à destination de civilisations extra-terrestres, contient des informations sur l'humanité : formules chimiques de l'ADN, schéma d'un corps humain, position de la Terre dans le système solaire… sous forme d'une image de 23 pixels sur 73.  Le message, bien que cryptique même pour un humain, a été conçu pour n'offrir qu'un seul décryptage possible, sans équivoque pour ces éventuels récepteurs. Il a été imaginé par entre autres par Frank Drake et Carl Sagan, célèbres astronomes à l'origine de la recherche de vie extra-terrestre. Le message d'Arecibo n'a à ce jour pas reçu de réponse. Les recherches lancées par ces deux hommes finiront-elles par déboucher sur une découverte ? Sur une rencontre du troisième type ? Sur un contact ?


Le message d'Arecibo, un "coucou" de l'humanité aux extra-terrestres. Image : Arne Nordmann (norro) — Own drawing, 2005.


Sources


Elizabeth Gibney, Gigantic Chinese telescope opens to astronomers worldwide, Nature Briefing, Sept 24, 2019


Elizabeth Gibney, Astronomers closer to cracking mystery of fast radio bursts, Nature Briefing, Aug 13, 2019


Elizabeth Gibney, Why ultra-powerful radio bursts are the most perplexing mystery in astronomy, Nature, 28 June 2016



G. Desvignes et al., 2019, Radio emission from a pulsar's magnetic pole revealed by general relativity, Science, Volume 365, Issue 6457, pp. 1013-1017 (2019).


Page Web de l'instrument LIGO


"The Binary Pulsar PSR 1913+16" hébergé par l'Université Cornell


Communiqué de presse "FAQ : 30 questions sur Virgo, les ondes gravitationnelles et GW150914", CNRS


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