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7, 8 et 9 août : c’est la nuit des étoiles ! L'occasion de voir des étoiles filantes et découvrir le ciel nocturne, à l’œil nu ou à travers lunettes et télescopes, avec des astronomes amateurs qui font partager leur passion. A Toulouse, au moins deux rendez-vous étaient programmés avec les animateurs de Planète Sciences Midi-Pyrénées et des associations du collectif RAMIP : à la Cité de l’espace et, le lendemain, à Ramonville Saint-Agne. A condition que la météo ne gâche pas la fête...
Avec ou sans nuages, les astronomes observent aussi le ciel avec des instruments qui fonctionnent dans des longueurs d’onde très différentes de ce que voit l’œil humain.
Un exemple d'instrument d'observation du ciel très impressionnant est ALMA, le Réseau d’Antennes Millimétriques de l'Atacama. Cet article vous invite à faire sa connaissance à partir d’une image prise par le satellite d’observation SPOT 6 il y a tout juste un an.
Le désert d’Atacama près de la ville de San Pedro de Atacama.
Image acquise par le satellite SPOT 6 le 7 août 2014. Crédit image : Airbus DS
Des millimètres à 5000 mètres…
A première vue la région paraît désertique…
Cette image prise par le satellite SPOT 6 montre une petite partie du désert d’Atacama au Chili, un peu au nord du tropique du Capricorne, à une soixantaine de kilomètres à l’est de la ville de San Pedro de Atacama et à près de 5100 mètres d’altitude. Nous sommes ici à environ 23°01’ de latitude sud et 67°45’ de longitude ouest, tout près de la frontière avec la Bolivie.
La route visible sur l’image est la route 27 qui conduit de San Pedro de Atacama au Paso de Jama pour rejoindre l’Argentine.
Photographie prise du plateau de Chajnantor, là où est installé le réseau ALMA.
Crédit image : Alain Maury
Drôle de Lascar
On identifie assez facilement des cratères de volcan. La zone claire, pratiquement blanche, n’est pas un chantier ou une mine. Il s’agit du sommet du Cerro Toco, un stratovolcan qui culmine à 5600 mètres d’altitudes. Un peu au sud, c’est le massif volcanique du Purico.
Au nord-ouest, en dehors de l’image deux autres volcans, le Licancabur, à 5900 mètres, et le Juriques (5704 mètres).
Il faut observer attentivement l’image en pleine résolution pour repérer une installation étonnante, au centre du tiers inférieur : c’est l’ALMA, le Réseau d’Antennes Millimétriques de l'Atacama (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array).
Un extrait de l’image SPOT 6 en pleine résolution montrant le réseau d’antennes ALMA.
Crédit image : Airbus DS
Cette installation impressionnante a été réalisée conjointement par l’Europe, des Etats-Unis et du Japon, qui ont décidé de fusionner trois projets initialement séparés. ALMA a été développé par l'Observatoire européen austral (European Southern Observatory, ESO), l'Observatoire national de radioastronomie (NRAO) américain et l'Observatoire astronomique national du Japon (NAOJ).
Il s’agit d’une des installations humaines les plus élevées du monde. Un seul autre bâtiment se situe à une altitude plus élevée : une gare au Tibet.
Haute résolution
La résolution de Spot 6 permet de compter les antennes de ce réseau interférométrique. Il y a en a au total 66 : 12 antennes de 7 mètres, au cœur du réseau et 54 plus grandes (12 mètres de diamètre). Elles sont mobiles : en faisant varier la distance qui les sépare, on change les caractéristiques du radiotélescope.
Au nord du réseau d’antennes, on distingue également les bâtiments techniques de l’AOS (Array Operation Site) qui abritent notamment le corrélateur qui combinent les signaux numérisés en provenance des antennes. Les interventions humaines sont limitées au maximum à cause de l’altitude. Les résultats sont transmis à l’OSF (Operation Support Facility) qui est le centre névralgique où travaillent les équipes scientifiques en charge de l’exploitation et de la maintenance du laboratoire. Il n’apparaît pas sur l’image : il est un peu plus à l’est, à 2900 mètres d’altitude : c’est plus sympa de respirer sans les masques à oxygène… 500 personnes peuvent être hébergées sur place. Pendant la phase de construction d’ALMA, les antennes étaient assemblées et testées sur place avant d’être installées sur le plateau de Chajnantor.
Plus près des cieux : comparaison des altitudes de plusieurs grands observatoires astronomiques.
Crédit image : ESO
Pourquoi une telle altitude ?
Pour avoir un air très sec… Les ondes millimétriques traversent les nuages de gaz et de poussière dans l’espace mais, Comme dans un four à micro-ondes, sont très absorbées par le vapeur d’eau présente dans l’atmosphère.
Même si le Chili a connu très récemment des inondations exceptionnelles, avec une pluviométrie annuelle moyenne de 100 mm, le désert d’Atacama, entouré par la cordillère des Andes à l’est et la Cordillera de Domeyko à l’ouest, est considéré comme une des endroits les plus secs de la planète : l’anticyclone du Pacifique et le courant froid de Humbolt jouent également un rôle important dans le régime de pluie.
L’altiplano permet également d’installer une installation demandant une grande surface. Inutile de préciser que la pollution lumineuse n’est pas ici un problème connu des astronomes…
« Last but not least », le ciel austral contient de nombreux objets célestes intéressants comme le centre de notre galaxie ou les grands et petits nuages de Magellan.
Rapport 1000 dans les longueurs d’onde
Un four à micro-ondes utilise des fréquences de l’ordre de 2,45 GHz. Les antennes d’ALMA travaillent dans une gamme de fréquence beaucoup plus élevée, d’environ 85 à 600 GHz, soit 0,32 à 3,6 mm de longueur d’onde. A titre de comparaison, l’instrument de SPOT 6 observe la lumière visible entre 0,45 et 0,9 µm, soit une longueur d’onde mille fois plus petite.
Fort antenne : un télescope géant
ALMA est constitué de deux réseaux complémentaires, un peu comme un appareil photo qui serait équipe à la fois d’une zoom puissant et d’un objectif grand angle.
Le réseau principal comporte cinquante antennes de 12 mètres de diamètre. Il fonctionne comme un « miroir » unique géant de taille variable. La distance entre les antennes peut varier entre 150 mètres et 16 kilomètres et lui permet ainsi de « zoomer » très fortement.
Le réseau compact avec douze antennes de 7 mètres et 4 de douze mètres. Il joue le rôle d’objectif à champ large. Pourquoi des antennes plus petites : pour pouvoir les manœuvrer alors qu’elles sont proches les unes des autres… Les 4 antennes de 12 mètres de la base compacte servent à mesurer la brillance absolue (absolute brightness) des objets observés
La précision de la surface des antennes est de l’ordre de 25 microns. Leur pointage est assuré avec une précision angulaire de 0,6 seconde d’arc (une seconde d’arc correspond à 1/3600 de degré). Cela correspond à l’angle sous lequel on voit une pièce de 2 euros à une distance de 6 kilomètres.
Une prouesse quand on sait que ces antennes de 115 tonnes peuvent être déplacées sur leurs camions transporteurs et, sans dôme de protection, doivent supporter sans broncher des températures variant de -20°C à +20°C.
Quelques photographies des antennes d’ALMA prises par Alain Maury à l’occasion d’une visite du site.
Crédit image : Alain Maury
Un camion nommé Otto
Inutile de préciser qu’on ne change pas la configuration du réseau ALMA tous les jours… Deux camions géants, baptisés Otto et Lore, ont été fabriqués spécialement pour déplacer les antennes d’ALMA et modifier la configuration du réseau interférométrique. Ils ont également été utilisés pour les acheminer depuis l’Operations Support Facility à 2900 mètres d’altitude jusqu’au plateau de Chajnantor à plus de 5000 mètres.
Les deux véhicules sont très impressionnants : 20 mètres de longueur, 10 mètres de largeur et 6 mètres de hauteurs, 130 tonnes.
Otto avec plein de roues : un des deux véhicules servant à déplacer les antennes du réseau ALMA.
Crédit image : Alain Maury
28 pneus, mon neveu !
Otto et Lore ont chacun 28 roues. Pour déplacer chacun des deux véhicules, y compris dans le cas de dénivelé important, deux moteurs de 700 CV (500 kW) alimentés par deux réservoirs de 1500 litres. Malgré cette impressionnante puissante, leur vitesse ne dépasse pas 20 km/h, et seulement 12 km/h avec une antenne sur le dos !
Gros mais précis : Otto et Lore peuvent positionner les antennes de 12 mètres avec une précision de quelques millimètres. Les manœuvres critiques de manutention d’antennes sont surveillées par le conducteur qui pilote alors le véhicule avec une télécommande. Vaut mieux ne pas faire de bêtises avec les boutons du joystick…
Si vous prenez la place du conducteur, ne soyez pas surpris par la forme du siège : le dossier est conçu pour pouvoir conduire en portant sur le dos la bouteille d’oxygène nécessaire pour respirer à 5000 mètres d’altitude. Il n’y a pas que les conducteurs qui souffrent : à cette altitude, les moteurs ne délivrent plus que 450 CV à cause du manque d’oxygène.
Interférométrie : l’art de travailler en réseau
Les lecteurs du blog Un autre regard sur la Terre qui consultent le calendrier mensuel avec attention ont déjà une idée du problème principal auquel sont confrontés les astronomes qui cherchent une grande résolution angulaire : le phénomène de diffraction impose d’augmenter le diamètre des instruments d’observation pour augmenter la résolution angulaire.
Double peine par l’astrométrie millimétrique : la diffraction augmente proportionnellement avec la longueur d’onde. C’est vrai pour un instrument optique ou pour un instrument à micro-ondes : à diamètre égal, le pouvoir séparateur se dégrade quand la longueur d’onde augmente. Sachez par exemple que la résolution au sol d’un satellite d’observation optique est donnée en général pour une longueur de 0,5 µm.
Une petite comparaison ? Egalement situé au Chili sur le mont Cerro Paranal, le Très Grand Télescope (VLT) de l’ESO, travaillant dans le spectre visible et infrarouge, à un miroir à optique adaptative de 8,20 mètres de diamètre : pour la lumière dans le proche infrarouge à 1 µm de longueur d’onde, la résolution angulaire est de l’ordre de 50 millisecondes d’arc. Environ 10 millionièmes de degré.
Malgré un diamètre 50% plus grand, une antenne d’ALMA, fonctionnant seule à 2 µm de longueur d’onde, a un pouvoir séparateur de seulement 20 secondes d’arc.
Pour offrir la même qualité d’image que le VLT, il faudrait un télescope de plus de 4 kilomètres de diamètre. Impossible de construire un tel objet : à titre d’exemple, le grand radiotélescope d'Arecibo (Porto Rico) a un diamètre de 305 mètres de diamètre…
La seule solution réaliste : l’interférométrie, un réseau de nombreuses petites antennes réparties sur une grande surface et fonctionnant de manière synchronisée.
Les amoureux des maths pouvant vérifier que le pouvoir séparateur équivalent ne dépend plus du diamètre de chaque antenne mais de la distance maximale entre les antennes.
A titre de comparaison, dans sa configuration la plus étendue, ALMA offre un pouvoir séparateur équivalent à celui du HST, le Hubble Space Telescope, dans le spectre visible.
ALMAnach : histoire du projet ALMA
A la fin des années 80, plusieurs projets de réseaux de radiotélescopes sont étudiés dans le monde. Très vite, il devient évident qu’un programme aussi ambitieux ne peut être réalisé qu’en coopération internationale.
Le Chili apparaît immédiatement comme un site intéressant. En 1999, un premier memorandum est signé entre les Etats-Unis (National Science Foundation) et l’Europe (ESO). Le Japon rejoint le projet en 2001. L’accord multilatéral portant sur la construction d’ALMA est signé en septembre 2004.
Le premier prototype d’antenne est testé en avril 2003 sur le site ATF (ALMA Test Facility) au Nouveau-Mexique. En janvier 2005, le Japon passe les contrats de fabrication des antennes ACA (ALMA Compact Array). En juillet et en décembre de la même année, les USA et l’ESO lancent les contrats-cadres pour la fabrication de 64 antennes.
En mars 2007, les premières franges d’interférence sont détectées avec un réseau de deux antennes sur le site de l’ATF. En avril, la première antenne arrive au Chili. Dix mois plus tard, en février 2008, les deux véhicules géants de transport sont livrés au Chili. La première antenne est déplacée sur un des véhicules.
La première antenne est installée sur le site de Chajnantor en septembre 2009 et les premiers interféromètres à 3 antennes sont réalisés en Novembre.
En juillet 2011, 1000 propositions sont soumises en réponse à l’appel à projets d’observation et montrent l’intérêt de la communauté scientifique. La seizième antenne de 12 mètres arrive sur site, rejointe en août par la première antenne de 7 mètres.
En octobre 2011, ALMA, en configuration réduite, effectue ses premières observations. En mai 2012, le réseau compte désormais 33 antennes. L’inauguration officielle a lieu en mars 2013.
Début 2015, les premiers essais d’interférométrie à très large base (VLBI) ont été réalisés en combinant les antennes d’ALMA avec le radiotélescope APEX, à une distance de 2,1 km. Ces observations s’inscrivent dans le projet de créer un réseau de télescopes tout autour de la Terre avec une très grande base.
L’illustration suivante rassemble quatre copies d’écran de Google Earth montrant quatre images satellites permettant de suivre l’évolution du site entre 2005 et 2011.
Sur le plateau de Chajnantor, l’évolution du réseau interférométrique ALMA entre 2005 et 2011
vue avec Google Earth.
Que fait-on avec ALMA ? Le zouave ?
Non, on fait de la science… On s’intéresse plus particulièrement à la jeunesse de l’univers et à son évolution.
On aimerait bien aller sur place mais c’est un peu loin : pour étudier les nuages de gaz et de poussières où les étoiles se forment, les astronomes analysent la composition de la lumière et des rayonnements émis ou transmis par les objets interstellaires. La spectroscopie fournit des données essentielles sur leur composition chimique et physique, sur leur formation et leur évolution.
ALMA sert surtout à observer les objets les plus froids de l’univers, ceux qui ont des températures de quelques dizaines de degrés au-dessus du zéro absolu. Les longueurs d’onde millimétrique permet de « voir à travers » des régions rendues opaques à la lumière visible par la concentration de gaz et ou de poussières.
Les questions auxquelles les scientifiques tentent de répondre avec ALMA portent sur nos origines cosmiques :
- Les constituants élémentaires des étoiles, les systèmes planétaires, les galaxies, les trous noirs super-massifs, etc.
- La formation des étoiles et de planètes dans leurs cocons de gaz à proximité de notre système solaire.
- Les galaxies naissantes aux limites de l'Univers observable, telles qu'elles étaient il y a plus de 10 milliards d'années.
Grâce à sa haute résolution, ALMA peut observer la formation des planètes autour des jeunes étoiles ou rechercher des exo-planètes par astrométrie. Plus près de nous, ALMA s’intéresse aussi au système solaire avec l’étude de l’atmosphère et des poussières des planètes.
Les premiers résultats scientifiques d’ALMA
Les illustrations suivantes proviennent de l’ESO qui a publié plusieurs communiqués de presse sur les premiers résultats scientifiques obtenus avec ALMA. Le plus récent date du 8 juin 2015.
Il s’agit de résultats d’une campagne de mesures effectuée par le réseau ALMA en configuration étendue, déployé sur une distance de 15 kilomètres, offrant ainsi un pouvoir séparateur de 23 millisecondes d'arc. A titre de comparaison, la résolution d’Hubble varie de 160 millisecondes d’arc (dans le proche infrarouge) à 22 millisecondes d’arc (dans le proche ultraviolet).
Connaissez-vous HATLAS J090311.6+003906, alias SDP.81 ?
C’est l’observatoire Spatial Herschel qui a découvert cette galaxie. Le premier exemple d’image d’ALMA date de la fin de l’année 2014 et offre une vision détaillée d'une galaxie lointaine subissant un effet de lentille gravitationnelle.
Les sept équipes scientifiques internationales qui ont travaillé de manière indépendante sur SDP.81 ont mis en évidence des aspects jusqu’ici inconnue de cette galaxie: les détails de sa structure, son contenu, son mouvement, et quelques autres propriétés physiques.
Les nouvelles images de SDP.81 obtenues avec ALMA ont une résolution environ six fois supérieure à celles acquises dans l'infrarouge par le Télescope Spatial Hubble dont on vient de fêter les vingt-cinq ans en orbite.
Cette finesse permet de voir au cœur de la galaxie SDP.81 des régions de formation d'étoiles (des nuages poussiéreux, probablement de vastes réservoirs de gaz moléculaire froid), semblables à la Nébuleuse d'Orion, mais de dimensions nettement supérieures (environ 100 années-lumière). C'est la toute première fois que ce phénomène de production d’étoiles peut être observé à une distance aussi grande : 11,5 milliards d'années-lumière (par comparaison, la nébuleuse d’Orion est à 1 350 années-lumière de la Terre).
L'information spectrale obtenue avec ALMA permet aussi de mesurer la vitesse de rotation de la galaxie et d'estimer sa masse.
La galaxie SDP.81 vue par le radiotélescope ALMA à travers une lentille gravitationnelle. La couleur
orange au centre de l’anneau correspond aux nuages de poussière. Autour, il s’agit d’une raie d’émission caractéristique du monoxyde de carbone. Crédit image : ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)
Lentille gravitationnelle
Encore plus étonnant : la lumière en provenance de cette galaxie subit les effets d'un phénomène de lentille gravitationnelle ! Une galaxie massive située entre SDP.81 et ALMA, à environ quatre milliards d’années-lumière de la Terre, agit comme une lentille et modifie la parcours de la lumière émise par la galaxie plus lointaine et générant un anneau d'Einstein quasi-parfait. Les lentilles gravitationnelles sont prévues par la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein, avec la courbure de l’espace et du temps.
Les régions centrales de SDP.81 sont trop peu lumineuses pour être détectées : la modélisation de l'effet de lentille gravitationnelle révèle l'existence d'un trou noir supermassif au cœur de la galaxie lentille située entre la Terre et SDP.81. La masse de ce trou noir correspond à 200 ou 300 millions de fois celle du soleil.
Voyage dans le temps.
L’astronomie, c’est un bon moyen de prendre un coup de jeune !
La lumière a mis 11,4 milliards d’années, deux fois l’âge actuel de la Terre, pour atteindre aujourd’hui les antennes d’ALMA : la galaxie SDP.81 est observée au tout début de sa vie, à une époque où l’univers n'était âgé que de 2,4 milliards d'années.
Juno et HL Tauri, un astéroïde et un disque protoplanétaire…
Le deuxième exemple d’image, ou plutôt une série d’images, montre la surface de Juno, un des objets les plus grands de la ceinture d’astéroïdes de notre système solaire. Il s’agit toujours d’une observation dans les longueurs d’onde millimétriques sur une durée d’environ 4 heures.
Animation montrant la surface de l’astéroïde Juno vu par ALMA. Mesures effectuées pendant
la « Long Baseline Campaign ». Crédit image : ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)
Au moment de la mesure, Juno est à environ 295 millions de kilomètres de la Terre. Pratiquement dans le jardin du voisin, si on compare aux milliards d’années-lumière de SDP.81. Ici, la résolution d’ALMA est de 40 millisecondes d’arc, correspondant à des pixels de 60 kilomètres à la surface de Juno.
Planètes très nettes…
On reprend de la distance avec la troisième image : il s’agit d’HL Tauri, une jeune étoile entourée d’un disque protoplanètaire. Pour la première fois, la résolution d’ALMA permet de discerner les différentes structures concentriques de ce disque. Les zones sombres pourraient correspondre à des planètes. On imagine bien tout ’intérêt d’ALMA pour les astronomes s’intéressant à la formation des planètes.
Le disque protoplanétaire entourant HL Tau vu par le réseau ALMA.
Crédit image : ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
En savoir plus :
- Le site internet d’ALMA, une page sur l’historique du projet et, en anglais, les pages « outreach » en anglais et les pages pour les enfants.
- Sur le site de l’ESO, une page sur les antennes d’ALMA et une autre sur les camions transporteurs d’antennes géants.
- Un communiqué de presse sur les premières observations en longue base et trois articles en anglais sur les premiers résultats scientifiques :
- Les pages ALMA sur les sites des principaux partenaires du projet :
- Dans la Newsletter ALMA n°5, des explications plus détaillées sur le fonctionnement du réseau interférométrique ALMA : « comment ALMA va produire des images ».