La raie à 21 cm : une clé pour l’astrophysique, la cosmologie et Seti

 

On peut faire remonter la naissance de la radioastronomie à l’annonce faite en 1933 par Karl Jansky qu’il existait un rayonnement radio en provenance de la Voie lactée. Comme il n’avait rien détecté de semblable en provenance du Soleil, Jansky en avait aussi déduit que ce rayonnement radio devait provenir des nuages de gaz et de poussières interstellaires dans la Galaxie. Stimulée par l’invention du radar, la radioastronomie ne se développera cependant vraiment qu’après la seconde guerre mondiale.

Une fenêtre d’observation dans le domaine des ondes radio particulièrement importante fit son apparition à la suite des réflexions du grand astronome néerlandais Jan Oort. Celui-ci avait conjecturé qu’uneraie spectrale dans le domaine radio serait un outil important pour la découverte de la structure de notre galaxie.

En effet, Oort avait passé plusieurs années à étudier la rotation et la structure de la Galaxie en utilisant des moyens optiques. Ses travaux étaient rendus particulièrement difficiles à cause des nuages de poussières s’étendant dans le plan galactique, bloquant la lumièrevisible. On ne peut ainsi voir qu’à travers quelques milliers d’années-lumière seulement en direction du centre galactique car la lumière desétoiles lointaines est absorbée par ces nuages.

L'astrophysicien Jan Oort. © Jan Oort

Une transition quantique dans l’atome d’hydrogène

Mais les ondes radio, elles, peuvent traverser les nuages de poussières. Si l’on disposait d’une raie dans le domaine radio, on pourrait alors faire des mesures de vitesses du gaz, émettant cette raie, par effet Doppleret peut-être ensuite étudier la rotation différentielle des distributions de nuages dans la Voie lactée.

Puisque l’hydrogène est l’élément le plus abondant dans l’univers, Oort demanda à son élève, H.-C. Van de Hulst, de trouver une telle raie spectrale en rapport avec l’hydrogène. Ce dernier en découvrit effectivement une… par le calcul, au niveau de ce qu’on appelle la structure spectrale hyperfine de l’atome d’hydrogène neutre.

Tous les 10 millions d’années en moyenne, le spin d’un électron bascule relativement à celui du proton dans un atome d’hydrogène et un photon de longueur d’onde de 21 cm est émis. © Pearson Prentice Hall, Inc

L’atome d’hydrogène possède en effet des niveaux d’énergies fins résultant de l’interaction magnétique du spin de son électron avec celui de son proton. Selon que ces deux spins sont parallèles ou antiparallèles, le niveau d’énergie de l’électron n’est pas le même et une transition avec émission d’un photon d’une longueur d’onde de 21 cm est possible. Cette transition est très improbable mais comme les nuages d’hydrogène neutre possèdent une quantité littéralement astronomique d’atomes, un rayonnement est bel est bien constamment émis et son intensité n’est pas négligeable.

La raie de 21 cm fut finalement découverte par Harold Ewen et le prix Nobel de physique Edward Purcell en mars 1951. Oort put enfin s’atteler à la tâche de cartographier les nuages de gaz dans la Voie lactée et démontra avec eux que cette dernière avait une structure spirale.

C’est aussi au début des années 1950 que Oort proposa l’hypothèse de l’existence d’un immense réservoir de comètes à longues périodes connu aujourd’hui sous le nom de nuage d’Oort.

Le prix Nobel de physique Edward Purcell. © Fondation Nobel

La raie à 21 cm comme clé de l’astrophysique

À partir des années 1960, l’emploi de la raie HI (désignant l’hydrogène neutre) à 21 cm connut une belle carrière en astrophysique, qui ne se dément pas aujourd’hui. Des radiotélescopes comme le Very Large Array (VLA) s’en servent par exemple pour cartographier les nuages d’hydrogènes neutres dans les galaxies et même les interactions entre les galaxies.

Le groupe de galaxies de M81 vu dans le visible à gauche. Le même groupe observé à la longueur d'onde de la raie 21 cm. On voit clairement des courants d'hydrogène, ce qui démontre que ces galaxies sont en interaction. © NRAO/AUI
Des galaxies observées à différentes longueurs d'onde. En bleu, la raie à 21 cm observée avec le VLA et en violet les émissions en ultraviolet des zones de formation d'étoiles observées par Galex. En orange, ce sont les observations en infrarouge de vielles étoiles par Spitzer. © NRAO/AUI
La galaxie NGC 2403 observée par le VLA, Spitzer et Galex. En bas les vitesses de rotation des nuages d'hydrogène de NGC 2403 déduites de l'effet Doppler mesuré pour la raie à 21 cm. © NRAO/AUI

La raie à 21 cm comme clé de la cosmologie

Un second souffle à la carrière de la raie à 21 cm devrait être donné tout prochainement par la cosmologie. Pour comprendre en quoi la raie HI va se révéler importante pour la cosmologie du futur il faut considérer la période de l’univers s’étendant de la recombinaison à la réionisation.

Lorsque la température de l’univers a chuté en dessous de 3.000kelvins, assez rapidement mais pas instantanément vers 380.000 ans après la naissance de l’univers observable, celui-ci s’est retrouvé dans un état où la formation massive d’atomes d’hydrogène et d’héliumétait devenue possible.

Comme il n’y avait pas encore d’étoiles, l’univers est passé de la brillance de la surface solaire à celle d’un ciel noir, c’est ainsi qu’ont commencé ce qu’on appelle les Âges sombres de l’univers, qui n’ont vraiment pris fin que quelques centaines de millions d’années plus tard avec la Renaissance cosmique.

Très rapidement cependant, des étoiles ont dû commencer à se former au bout de 100 millions d’années, et le rayonnement UV intense produit a fini par réioniser une grande partie de l’hydrogène atomique HI du cosmos. Cette réionisation pourrait aussi avoir eu lieu en raison du rayonnement émis par de la matière s’accrétant autour des premierstrous noirs, ancêtres des noyaux actifs de galaxies, les quasars. À l’heure actuelle, on pense que les deux processus auraient pu opérer mais l’on ne sait pas lequel était dominant.

Ce qui s’est passé pendant les Âges sombres est, sans jeu de mots, particulièrement obscur puisque les premières étoiles se sont formées précisément à cette époque avec les premières galaxies. Toutefois, il devait bel et bien y avoir un rayonnement à 21 cm à cette époque. Les modifications de la répartition des distributions des nuages d’hydrogène neutre (pendant que la réionisation se produisait et que ces mêmes nuages s’effondraient pour former étoiles et galaxies) ont dû laisser des empreintes dans le rayonnement radio autour de cette longueur d’onde.

L’expansion de l’univers a décalé vers des longueurs d’onde encore plus longues les émissions de cette époque. Le signal doit être faible et très bruité mais il doit être possible d’observer ainsi ce qui s’est passé pendant la réionisation grâce au  LOw Frequency ARray radio telescope(LOFAR) en construction.

Post completo en: Futura Sciences

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