L'Univers profond dévoilé aux basses fréquences radio

Publié par Redbran le 09/04/2021 à 13:00
Source: Observatoire de Paris
En utilisant le radiotélescope européen LOFAR, une équipe internationale d'astronomes impliquant des astronomes de l'Observatoire de Paris - PSL, du CNRS et de l'Université d'Orléans obtiennent des images de l'Univers profond, les plus sensibles jamais réalisées à basses fréquences. La description de ces images et les premiers résultats scientifiques font l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) d'une série de quatorze articles publiés dans un numéro spécial de la revue scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) Astronomy & Astrophysics, le 7 avril 2021.

Par l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) des mêmes régions du ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) de manière répétée et la combinaison (Une combinaison peut être :) des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...), des images correspondant à une exposition très longue ont été créées. L'équipe scientifique internationale a ainsi pu détecter la faible lueur de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) résultant d'étoiles ayant explosé en supernovæ et ce, dans des dizaines de milliers de galaxies (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec...) présentes dans l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) lointain


L'image LOFAR la plus profonde jamais réalisée, dans la région du ciel connue sous le nom d'Elais-N1, qui est l'un des trois champs étudiés dans le cadre de cette étude. L'image provient d'un seul pointé LOFAR observé à plusieurs reprises pendant une durée totale de 164 heures. Plus de 80 000 sources y sont détectées; incluant des émissions spectaculaires à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un...) provenant de trous noirs massifs, mais la plupart des sources sont des galaxies éloignées (voir encadrés).
© Philip Best, Jose Sabater et LOFAR Surveys Key Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire...) Project.

Le radiotélescope LOFAR

LOFAR est un radiotélescope géant réparti sur toute l'Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un...), observant la lumière très faible des astres et de très basse énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...), invisible à l'oeil humain. Celle-ci est créée par des particules ultra (ULTra (pour (en)« Urban Light Transport ») est un système de transport...) énergétiques dont la vitesse (On distingue :) est proche de celle de la lumière.

Ainsi LOFAR permet aux astrophysiciens d'étudier des explosions d'étoiles (supernovæ), des collisions d'amas de galaxies (Un amas de galaxies est l'association de plus d'une centaine de galaxies liées entre elles par la...) et des trous noirs actifs, qui accélèrent ces particules dans des chocs ou des jets. Ces sources sont si distantes que leur lumière a parfois voyagé pendant des milliards d'années pour nous atteindre, témoignant ainsi de la vie (La vie est le nom donné :) de notre Univers lorsqu'il était encore jeune.

Formation d'étoiles cosmique

Les images radio profondes produites par LOFAR totalisent des centaines d'heures d'observations, et sont si sensibles qu'elles sont dominées en nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) par des galaxies comme notre propre Voie Lactée (La Voie lactée (appelée aussi « notre galaxie », ou parfois...). Celles-ci émettent une faible lumière à basses fréquences (domaine radio) produite par des étoiles qui ont explosé en supernovæ. La combinaison de la sensibilité sans précédent de cette image et son grand champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) - environ 300 fois la taille de la pleine lune (La pleine Lune est la phase lunaire durant laquelle la Lune apparaît la plus brillante depuis...) - a permis de détecter des dizaines de milliers de galaxies, à l'époque de l'Univers lointain, quand elles étaient toujours en formation.

Les supernovæ résultant de la formation active d'étoiles sont généralement enveloppées d'un voile de poussière. Dans le domaine radio, il est possible de voir à travers la poussière et de construire une compréhension non biaisée de la formation d'étoiles. Les images LOFAR profondes ont permis d'établir des mesures plus précises du nombre de nouvelles étoiles en formation dans cette période ancienne et lointaine de l'Univers.

Objets exotiques

Ce jeu de données remarquable a permis un large éventail de recherches scientifiques supplémentaires, en étudiant par exemple l'émission radio provenant de trous noirs massifs ou des collisions d'amas de galaxies.


Les images profondes produites par la collaboration sont si sensibles que la majorité des objets détectés en radio (en orangé) sont des galaxies distantes formant des étoiles (objets ponctuels et faibles). On peut néanmoins observer des trous noirs en activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) comme dans la partie supérieure gauche de l'image.
© LOFAR Surveys Key Science Project.

Des résultats inattendus ont par ailleurs été obtenus. En particulier, les observations répétées ont permis la détection de sources dont la luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit...) varie. L'étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une...) naine rouge (En astronomie, les naines rouges sont les étoiles les moins massives ; en-deçà, ce sont les...) CR Draconis a montré des sursauts d'émission radio qui ressemblent fortement à ceux qui proviennent de Jupiter, pouvant être provoqués par une interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) étoile-planète ou encore par la rotation rapide de l'étoile.

Énorme défi numérique

LOFAR ne produit pas directement des cartes du ciel. Les signaux de ses 70 000 antennes doivent être combinés pour produire ces images profondes. Plus de 4 pétaoctets de données brutes - équivalant à environ un million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf...) de DVD (Le DVD officiellement Digital Versatile Disc - même si d'autres dénominations sont...) - ont été acquis et traités. Les images basse fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) de notre Univers sont cachées de manière diffuse, à l'intérieur de la grande quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) de données que LOFAR a observée. Ce faible signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) a pu être extrait, grâce à des progrès mathématiques (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide...) et algorithmiques récents et à l'utilisation de grands groupes d'ordinateurs.

Données multi-longueurs d'onde

Les champs cibles ont été choisis car ils étaient les mieux étudiés du ciel de l'hémisphère nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.). L'équipe a ainsi pu rassembler des données optiques, infrarouges et submillimétriques pour les galaxies détectées à basses fréquences.


L'image de gauche montre une petite partie d'un des champs profonds observé dans le domaine optique (lumière visible). En superposant l'image radio de cette même partie du ciel (en orangé dans le cadre de droite), on peut observer de nouveaux phénomènes astrophysiques. Ici LOFAR permet de détecter la présence de particules ultra énergétiques accélérées par des trous noirs supermassifs dans d'immenses jets se propageant à l'extérieur des galaxies.
© LOFAR Surveys Key Science Project
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La comparaison de ces images radio avec des données obtenues avec d'autres télescopes à d'autres longueurs d'onde a été vitale pour l'interprétation des images de LOFAR.

LOFAR

Le télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant...) international LOFAR est un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) européen d'antennes radio; il est le premier télescope de ce type au niveau mondial. Avec son coeur situé à Exloo aux Pays-Bas, il est exploité par ASTRON, l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) néerlandais de radioastronomie (La radioastronomie est une branche de l'astronomie traitant de l'observation du ciel dans le...), et coordonné par un partenariat de 9 pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue...) européens: l'Allemagne, la France, l'Irlande, l'Italie, la Lettonie, les Pays-Bas, la Pologne, la Suède et le Royaume-Uni. LOFAR fonctionne en combinant les signaux de plus de 70 000 dipôles d'antenne (En radioélectricité, une antenne est un dispositif permettant de rayonner (émetteur) ou de...) individuelles, à travers les Pays-Bas et dans les pays européens partenaires. Elles sont reliées entre elles par un réseau de fibres (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se...) optiques à haut débit (Le terme de haut débit (ou large bande par traduction littérale de l'expression anglosaxonne...).

De puissants ordinateurs sont utilisés pour traiter leurs signaux, afin de synthétiser une antenne radio européenne qui s'étend sur 1 300 kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système...). La partie française de LOFAR La partie française du réseau est implantée à Nançay, dans le Cher, au sein de la station de radioastronomie de l'Observatoire de Paris (L'Observatoire de Paris est né du projet, en 1667, de créer un observatoire astronomique...) - PSL (Observatoire de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région...) - PSL / CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) / Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) d'Orléans). Dans sa configuration "bande haute", LOFAR observe à des fréquences d'environ 150 MHz - entre les bandes radio FM et DAB.


LOFAR a été conçu, construit et est actuellement exploité par ASTRON, l'Institut néerlandais de radioastronomie. L'Allemagne, la France, l'Irlande, l'Italie, la Lettonie, les Pays-Bas, la Pologne, la Suède et le Royaume-Uni sont les pays partenaires de ce télescope international.

LOFAR est unique compte tenu de sa sensibilité, de son large champ de vision et de sa résolution. Il l'est aussi dans sa capacité à produire des images du ciel de haute qualité à des longueurs d'onde de l'ordre du mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du...). L'archive des données LOFAR est déjà la plus grande collection de données astronomiques au monde (Le mot monde peut désigner :). Ses images en champ profond sont un témoignage de ses capacités et un trésor pour de futures découvertes.

Bibliographie:
- Tous les articles de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) sont disponibles dans le numéro spécial de la revue “Astronomy & astrophysics” paru le 7 avril 2021
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