RADIOSOURCES

RADIOSOURCES

Les premiers radioastronomes, avant et pendant la Seconde Guerre mondiale, n’avaient observé que l’émission radio générale du ciel à laquelle se superpose celle du Soleil (cf. RADIOASTRONOMIE et SOLEIL). Cependant, en 1946, les Anglais J. S. Hey, S. J. Parsons et J. W. Phillips mettaient en évidence une source d’ondes radioélectriques relativement intense et de dimensions angulaires faibles, située dans la constellation du Cygne: ce fut la première radiosource connue. Peu après, J. G. Bolton et G. J. Stanley en Australie et M. Ryle et F. G. Smith en Angleterre découvraient plusieurs dizaines d’autres radiosources et en dressaient les premiers catalogues. Il existe deux classes de radiosources: les unes sont fortement concentrées le long du plan de la Voie lactée et appartiennent visiblement à notre Galaxie (ce sont les radiosources galactiques), les autres sont distribuées d’une façon sensiblement uniforme dans le ciel. On a pensé quelque temps que ces dernières étaient des étoiles proches, mais l’identification de certaines de ces radiosources à des galaxies extérieures démontra qu’elles sont extragalactiques. Plusieurs milliers de radiosources sont aujourd’hui cataloguées. La position de plusieurs centaines d’entre elles est connue avec une précision fréquemment supérieure à celle des mesures optiques, et on a déterminé la structure souvent complexe de ces objets à propos desquels existent des cartes très détaillées, qui sont, en radio, l’équivalent des photographies. Enfin, on a décelé sur les photographies du ciel les objets correspondant, en lumière visible, à de très nombreuses radiosources, confirmant du même coup leur appartenance soit à notre Galaxie, soit au domaine extragalactique. Les objets célestes qui donnent une émission radio sont très variés; certains appartiennent au système solaire et ne seront pas étudiés ici (cf. PLANÈTES et SOLEIL). Parmi les sources de notre Galaxie, on trouve d’une part des nébuleuses gazeuses et des restes d’explosion de certaines étoiles (supernovae), d’autre part des pulsars, découverts grâce à la radioastronomie, et enfin certaines étoiles; les radiosources extragalactiques sont soit des galaxies spirales ou elliptiques, soit des quasars (repérés eux aussi par les radioastronomes). Certains de ces objets sont les plus lointains que l’on connaisse dans l’Univers et ont donc une importance spéciale pour la cosmologie ^{[cf. COSMOLOGIE]}. On considère le plus souvent que les radiosources non identifiées à des objets optiques sont surtout des galaxies extrêmement lointaines. D’une façon générale, l’étude de l’émission radioélectrique des différents objets de l’Univers, phénomène qui était totalement inattendu au moment de sa découverte, a complètement renouvelé la plupart des aspects de l’astrophysique.

1. Radiosources galactiques et émission radioélectrique

Sources de raies et sources de rayonnement radio continu

Certains objets de la Galaxie émettent des raies dans le domaine radioélectrique, c’est-à-dire des émissions à des longueurs d’onde bien définies. La première raie découverte (1951) est due à l’hydrogène atomique, et sa longueur d’onde est de 21 centimètres. Sont venues s’y ajouter, depuis 1963, de très nombreuses raies produites par plus de 80 molécules différentes, raies qui se trouvent principalement dans le domaine des ondes millimétriques. Les sources de la raie à 21 centimètres et de ces raies moléculaires sont des nuages de gaz interstellaire neutre ou faiblement ionisé, mais aussi des enveloppes gazeuses autour d’étoiles géantes et autour de nébuleuses planétaires ; ces derniers objets résultent de l’éjection de matière par des étoiles relativement peu massives vers la fin de leur évolution. On ne désigne en général pas ces objets sous le nom de radiosources. Les radiosources galactiques proprement dites émettent un rayonnement radio continu, autrement dit sans longueur d’onde où l’émission serait privilégiée (il s’y superpose cependant quelquefois des raies atomiques ou moléculaires). Les plus intenses d’entre elles ont été observées dans toute la gamme des longueurs d’onde accessibles aux radioastronomes, des ondes décamétriques aux ondes millimétriques. Certaines ont un spectre radio plat, c’est-à-dire émettent sensiblement la même quantité d’énergie par intervalle de fréquence unité à toutes les fréquences, sauf aux plus basses, où se produit un phénomène d’absorption interne qui diminue le flux d’énergie sortant de la radiosource: ce sont les radiosources thermiques , qui sont identifiées optiquement à des nébuleuses gazeuses (régions HII ) et à des nébuleuses planétaires formées de gaz presque totalement ionisé (l’émission radio est simplement l’émission free-free de ce gaz sous l’effet de sa température élevée; cf. RADIOASTRONOMIE). D’autres sources galactiques ont un flux radioélectrique plus grand aux basses fréquences qu’aux fréquences élevées; elles sont considérées comme des restes de supernovae , et l’émission est due au mécanisme synchrotron (cf. la GALAXIE; NOVAE ET SUPERNOVAE), qui fait intervenir des électrons de haute énergie tournant dans un champ magnétique associé à l’objet; on les nomme radiosources non thermiques . Enfin, les pulsars ^{[cf. PULSARS]} émettent un rayonnement radio sous forme d’impulsions régulières, et le mécanisme d’émission est cohérent et analogue à celui de certains types de sursauts radio solaires. Des étoiles de types particuliers émettent une faible quantité d’ondes radio selon des mécanismes semblables.

Radiosources galactiques thermiques

Les radiosources galactiques thermiques sont identifiées à des nébuleuses gazeuses , ou régions HII (cf. milieu INTERSTELLAIRE), immenses masses de gaz chaud (10 000 K) ionisé par le rayonnement ultraviolet d’étoiles très jeunes qui se sont vraisemblablement formées en leur sein. La densité du gaz est de quelques dizaines à quelques milliers d’atomes par centimètre cube, mais les observations de la structure radio de ces objets ont mis en évidence l’existence de structures fines et complexes, probablement liées aux vents émis par les étoiles jeunes. Comme les ondes radio ne sont pas absorbées par la poussière qui remplit la Galaxie, alors que la lumière peut l’être de façon considérable, les observations radio ont permis de découvrir de nombreuses nébuleuses gazeuses totalement invisibles optiquement (il y en a plusieurs centaines dans la Galaxie), et aussi de connaître la structure de nébuleuses dont la lumière est en partie absorbée. Enfin, ces nébuleuses émettent des raies radio, produites par la recombinaison de l’hydrogène et de l’hélium, qui ont permis de préciser les conditions physiques qui y règnent. Les nébuleuses planétaires sont des masses de gaz beaucoup plus petites éjectées par certaines étoiles très évoluées et qui sont aussi totalement ionisées. De même que les nébuleuses gazeuses, elles émettent un rayonnement radio continu thermique ainsi que des raies de recombinaison dont les propriétés sont comparables à celles des nébuleuses gazeuses.

Radiosources galactiques non thermiques

Les radiosources galactiques non thermiques, relativement étendues comme les précédentes (de quelques minutes d’angle à quelques degrés), sont tenues aujourd’hui pour des restes de supernovae ^{[cf. NOVAE ET SUPERNOVAE]}. Celles-ci constituent le stade normal de l’évolution des étoiles très massives (plus de six à huit fois la masse du Soleil) qui explosent en éjectant à une vitesse de plusieurs milliers de kilomètres par seconde une fraction importante de leur masse, tandis que demeure une étoile très condensée, naine blanche ou étoile à neutrons, qui est éventuellement un pulsar . Plusieurs de ces explosions ont été observées dans la Galaxie, notamment celle de 1054, dont le résidu est appelé la nébuleuse du Crabe, et celles de 1572 et de 1604, nommées respectivement supernova de Tycho Brahe et supernova de Kepler du nom des astronomes qui les ont observées. Dans certains cas, comme celui de la nébuleuse du Crabe, le reste de supernova est alimenté en permanence en particules de haute énergie par un pulsar central. Les électrons ainsi accélérés ont une énergie de plusieurs milliards d’électronvolts (GeV) et rayonnent dans le champ magnétique de l’objet dans le domaine radio, mais aussi éventuellement dans le domaine visible et même en rayons X: dans le cas de la nébuleuse du Crabe, on a observé à toutes les longueurs d’onde cette émission due au mécanisme synchrotron. Elle présente la polarisation linéaire caractéristique de ce mécanisme. On a aussi observé le pulsar central. Mais on ne connaît qu’un petit nombre d’objets de ce genre. Le plus souvent, le reste de supernova se présente comme une coquille plus ou moins sphérique en expansion, dont les dimensions sont fonction de l’âge: le reste d’une supernova ayant explosé il y a dix mille ans a un diamètre de l’ordre d’une centaine d’années de lumière. L’expansion de l’enveloppe se poursuit en se ralentissant jusqu’à ce que l’objet se perde dans le milieu interstellaire. La coquille de ces restes de supernovae rayonne dans les domaines visible, ultraviolet et X en raison de l’échauffement local produit par l’onde de choc née de sa rencontre avec le gaz interstellaire. Des électrons sont accélérés à des énergies élevées dans la coquille et rayonnent dans le domaine radio par le mécanisme synchrotron en interagissant avec un champ magnétique qui provient de la compression et de l’amplification du champ magnétique interstellaire. On a observé dans la Galaxie, grâce à leur rayonnement radio, une centaine de restes de supernovae qui se répartissent dans un disque très plat, comme le gaz interstellaire et les étoiles jeunes (cf. la GALAXIE). Il y a en moyenne une explosion de supernova tous les cinquante ans dans la Galaxie, mais toutes ne peuvent pas être observées optiquement.

Émission générale de la Galaxie

La Galaxie produit un rayonnement radio général qui se présente comme un fond continu sur lequel se détachent les radiosources décrites ci-dessus. Ce rayonnement est lui aussi de nature synchrotron et est dû aux électrons de quelques milliards d’électronvolts faisant partie des rayons cosmiques (cf. rayons COSMIQUES) qui se propagent dans le faible champ magnétique galactique (environ 3 憐 10^–10 tesla). Ces électrons proviendraient des supernovae et forment un disque d’environ 3 000 années de lumière d’épaisseur. Le fond continu radio de la Galaxie est partiellement émis à haute fréquence par du gaz ionisé diffus.

2. Radiosources extragalactiques

Les galaxies spirales

La plupart des galaxies spirales peu lointaines sont de faibles émetteurs radio, et on a pu reconnaître, dans les plus proches, l’émission générale et les différentes classes de radiosources observées dans notre Galaxie. La plus grande partie du rayonnement est synchrotron et provient du disque de la galaxie: on a même constaté dans certains objets une structure spirale radio semblable à celle que l’on observe optiquement, ce qui montre que les électrons de haute énergie sont concentrés dans les bras de spirale. Le noyau de ces galaxies a souvent une contribution importante dans l’émission; certaines ont un noyau radio extrêmement petit relativement (quelques dizaines d’années de lumière au plus). Les galaxies de Seyfert , dont le brillant noyau optique est le siège de phénomènes violents, contiennent souvent des sources radio intenses et très petites.

Les galaxies elliptiques

Certaines galaxies elliptiques géantes, intrinsèquement très lumineuses, sont des radiosources. Les unes n’émettent qu’une puissance radio comparativement faible qui provient d’une région relativement très petite qui est située au centre de la galaxie observée optiquement (cela est à rapprocher de l’émission du noyau de certaines galaxies spirales). D’autres, qui sont des radiosources bien plus intenses en moyenne, sont très étendues par rapport à la galaxie vue par voie optique: leurs dimensions, qui sont en général de l’ordre de 300 000 années de lumière, atteignent parfois 3 millions d’années de lumière. Elles ont une grande variété de formes, mais le plus souvent il s’agit de sources doubles dont les deux composantes sont situées de part et d’autre de la galaxie optique et sont éventuellement reliées par un pont faiblement émissif. La polarisation linéaire de leur rayonnement montre qu’il est dû au mécanisme synchrotron. Il est possible d’estimer grossièrement l’énergie qui est contenue dans ces radiosources sous forme de particules de haute énergie: on trouve ainsi des valeurs énormes, de l’ordre de 10⁵² joules au moins, et il est certain qu’une grande partie de l’énergie présente dans la galaxie sous forme gravitationnelle ou nucléaire a dû servir à accélérer ces particules avec une très grande efficacité. La théorie de l’émission radio de cette classe de galaxies elliptiques, que l’on appelle souvent les radiogalaxies , a beaucoup progressé. Il paraît certain que les électrons relativistes qui remplissent les deux composantes des sources doubles ne sont pas accélérés sur place, ou ne le sont qu’en partie. Ils sont injectés directement par le noyau de la galaxie. On voit d’ailleurs fréquemment en radio des jets relativement fins qui partent du noyau même et le relient aux composantes étendues, lesquelles ont souvent aussi une structure allongée radialement. Comme les composantes étendues contiennent un champ magnétique dans lequel rayonnent les électrons relativistes, elles doivent aussi contenir du gaz ionisé où les courants électriques produisent le champ magnétique. Mais la détection directe de ce gaz est très difficile.

Les quasars

Bien que les quasars constituent optiquement une classe d’objets distincte des galaxies elliptiques, leurs propriétés radio rappellent fortement celles que nous venons de décrire. Cependant, ce sont des radiosources encore plus puissantes que les galaxies les plus intenses (si du moins ils sont situés à de très grandes distances dans l’Univers, ce que l’on suppose). Il semble que, comme les galaxies, seuls les quasars les plus lumineux intrinsèquement sont des radiosources. Certains quasars ont une structure étendue, souvent double, tout à fait semblable à celle des radiogalaxies. D’autres, les plus nombreux, se réduisent à une radiosource très petite, mais dont les observations interférométriques intercontinentales à très haute résolution ont révélé la fréquente complexité. Des mesures optiques aussi bien que radio ont montré que l’intensité du rayonnement des quasars est souvent variable en quelques mois et même en quelques jours. Cela suggère une activité qui rappelle, en plus intense, ce qui se passe dans les noyaux de certaines galaxies (l’émission optique et l’émission radio de certaines galaxies elliptiques sont d’ailleurs elles-mêmes variables). On a même mesuré directement, dans plusieurs quasars, les mouvements d’expansion qui se produisent à une vitesse proche de celle de la lumière. L’origine des énergies énormes mises en jeu dans ces processus extrêmement violents est encore mystérieuse: cependant, les quasars ne sont autres que des noyaux de galaxies dans une phase particulièrement active, et l’origine de l’énergie paraît gravitationnelle, comme pour les radiogalaxies.

Radiosources et cosmologie

L’observation radioastronomique de nombreuses galaxies très lointaines et de quasars peut-être beaucoup plus lointains encore a fait naître l’espoir que l’étude des radiosources permettrait de connaître la géométrie et l’histoire de l’Univers. Malheureusement, d’une part, il n’existe aucun critère de distance pour ces objets qui soit purement radioastronomique (on est donc obligé de se servir d’observations optiques), d’autre part, les comptages de radiosources en fonction du flux reçu présentent des anomalies par rapport aux prédictions des modèles d’Univers classiques. On peut rendre compte de ces anomalies en supposant que les radiosources situées à de très grandes distances, et que l’on observe donc dans une partie de l’Univers plus proche des origines, sont plus nombreuses par unité de covolume ou plus puissantes que les objets proches. Ainsi l’Univers est évolutif, mais cette évolution même rend extrêmement difficile, sinon impossible, l’étude de sa géométrie à partir des radiosources qu’il contient.

Encyclopédie Universelle. 2012.