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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Raie 21 cm de l’hydrogène atomique4. Spectroscopies atomique et moléculaire
La spectroscopie qui consiste à analyser le rayonnement émis, en particulier par les astres, constitue un moyen d’investigation extrêmement utile en astrophysique moderne. Un atome, tout comme une molécule, émet ou absorbe le rayonnement seulement à certaines longueurs d’onde bien déterminées. Chaque substance chimique produit un spectre de raies qui lui est propre. Ainsi, l’analyse spectrale permet d’identifier les constituants du gaz interstellaire.
4.1 Processus d’émission et d’absorption des raies
L’énergie d’un atome ou d’une molécule est quantifiée en une série de niveaux discrets. Le rayonnement électromagnétique de fréquence ν est émis ou absorbé quand ces particules passent d’un état quantique d’énergie E à un autre d’énergie E + ΔE . La différence d’énergie Δ E entre les deux états est proportionnelle à la fréquence ν du photon émis ou absorbé : ΔE = h ν (h étant la constante de Planck). L’émission de photons se produit quand l’atome ou la molécule passe d’un état d’énergie supérieur à un état d’énergie inférieur et l’absorption a lieu dans le cas inverse. L’émission peut être spontanée ou induite par un rayonnement extérieur. Ces sauts d’énergie correspondent à un réarrangement énergétique des électrons ou aux mouvements de rotation et de vibration de la molécule.
La raie atomique la plus étudiée en radioastronomie correspond à une transition de l’hydrogène atomique. Les raies moléculaires détectées en onde millimétrique proviennent des transitions entre les niveaux de rotation d’écart d’énergie plus élevé. Signalons enfin que les électrons, dans un gaz ionisé, peuvent se recombiner avec les ions d’hydrogène et de carbone. L’atome neutre est formé dans un état excité et émet des photons au cours de sa cascade vers les niveaux d’énergie inférieurs. Alors que la raie 21 cm de l’atome d’hydrogène et les raies moléculaires se forment dans des régions neutres, régions HI, les raies de recombinaison sont émises dans des régions HII.
Dans un nuage de gaz, les atomes et les molécules se déplacent d’une manière aléatoire....
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