Présentation
Auteur(s)
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François BIRAUD : Directeur de Recherche au Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) à l’Observatoire de Meudon
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- NGUYEN-QUANG-RIEU : Directeur de Recherche au Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) à l’Observatoire de Meudon
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Lire l’articleINTRODUCTION
L’astronomie a depuis l’origine des temps passionné les hommes qui aspiraient à la découverte de l’Univers. Des progrès réels n’ont été réalisés que depuis l’invention de la lunette astronomique, au début du XVII e siècle. La radioastronomie, qui est une branche très jeune de l’astronomie, consiste à capter les ondes radioélectriques émises par les astres. L’émission radioélectrique d’origine extraterrestre, en provenance du centre de notre Galaxie, fut découverte de façon accidentelle dans les années trente par un ingénieur, Jansky, travaillant à la compagnie Bell Telephone. Cette émission radio sur onde décamétrique constituait une source de perturbation des liaisons radio étudiées par Jansky. Il fallut néanmoins attendre la fin de la Seconde Guerre mondiale pour que la radioastronomie prît un essor décisif avec l’avènement des antennes radar de plus en plus sophistiquées.
Après la détection du rayonnement radioélectrique du Soleil et des planètes ainsi que celle des étoiles, des nébuleuses gazeuses, des galaxies et des quasars, la radioastronomie a permis la découverte d’astres aussi inattendus que les pulsars engendrés par des étoiles à neutrons, objets dont l’existence avait été prédite par des calculs théoriques. Les radiosources peuvent émettre un spectre continu, résultant de l’accélération des électrons dans le champ électrostatique des ions ou dans un champ magnétique gelé dans le nuage de gaz. Elles peuvent également émettre un spectre de raies tel que celui de la raie 21 cm de l’atome d’hydrogène qui est le constituant le plus abondant du gaz interstellaire. Dans les années soixante-dix, l’exploration dans le domaine des ondes millimétriques a révélé dans la Voie lactée et dans des galaxies proches la présence de raies dues à de nombreuses molécules minérales et surtout organiques, analogues à celles constituant les briques élémentaires dans l’échafaudage des acides aminés.
Le tableau 1 donne la liste des catégories de radiosources ainsi que la nature du rayonnement émis. Nous décrirons tout d’abord la technologie la plus avancée utilisée en radioastronomie et passerons en revue les résultats acquis dans le domaine de l’astrophysique grâce à cette technique.
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Molécules interstellaires5. Raie 21 cm de l’hydrogène atomique
L’hydrogène atomique est le constituant majeur du gaz interstellaire. Son abondance est en moyenne au moins dix mille fois plus élevée que celle des molécules interstellaires. La raie 21 cm de l’hydrogène atomique correspond à une transition entre deux sous‐niveaux d’énergie dans l’état fondamental. La différence d’énergie entre ces sous‐niveaux est due aux différentes orientations des moments magnétiques (spins) de l’électron et du proton. L’émission d’un quantum par l’atome d’hydrogène à 21 cm de longueur d’onde se produit quand l’atome passe de l’état de spins parallèles à celui de spins antiparallèlles. Chaque atome change spontanément d’un état à l’autre tous les 11 millions d’années. Cependant, les collisions avec d’autres particules, notamment avec les électrons, augmentent considérablement le taux d’émission induite jusqu’à 400 ans par atome. Du fait que l’hydrogène est l’élément le plus abondant du gaz interstellaire, l’intensité observée de l’émission de la raie 21 cm est la plus intense. Cette raie a permis de mettre en évidence la structure spirale de notre Galaxie et d’étudier la structure à grande échelle d’autres galaxies.
Les galaxies tournent autour de leur petit axe d’un mouvement quasi circulaire. Les observations de la raie 21 cm permettent en particulier de déterminer la courbe de rotation. La vitesse de rotation de notre Galaxie, qui est de l’ordre de 200 km /s dans la région centrale, atteint 250 km /s au voisinage du Soleil à 10 kpc du centre, puis décroît vers le bord. Cette rotation différentielle montre que notre Galaxie ne tourne pas comme un corps solide.
L’observation de la raie 21 cm émise par les galaxies contribue également à l’étude du problème cosmologique. En effet, d’après la loi de Hubble, la vitesse de fuite des galaxies (vitesse radiale) est proportionnelle à leur distance. L’observation de la raie émise par ces objets en récession doit subir un décalage vers le rouge dont la détermination permet d’évaluer leur distance. La vitesse de récession v (exprimée en km /s) et la distance d (en Mpc) sont reliées par la loi de Hubble :
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