Le Renouvellement de l'observation dans les sciences

(Volume 9)

Yves Michaud

• Éditeur: Odile Jacob
• Année: 2006
• Imprimer l'ISBN: 9782738111944
• ISBN de l'eBook: 9782738169846
• Sujet: Sciences biologiques
• Sujet: Recherche scientifique et méthodologie

À quoi servent vraiment les satellites ? Comment connaît-on l'activité cérébrale ? Qu'est-ce qu'un VLT ? Quelles sont les dernières avancées en astronomie ? Quels progrès le séquençage du génome humain laisse-t-il espérer ? Dans ce volume inédit de l'Université de tous les savoirs, les plus grands spécialistes nous éclairent sur l'évolution des techniques d'observation scientifique les plus actuelles, que ce soit en médecine, en astrophysique, en climatologie ou encore en histoire de l'art. Contributions de Daniel Arasse, Pierre Bahurel, Geneviève Berger, Michel Boynard, André Brahic, Claude Cohen-Tannoudji, Vincent Courtillot, Jacques Demongeot, Alvaro De Rujula, Daniel Egret, Jean-Louis Fellous, Gilles Gaston Granger, Jean Klein, Pierre Léna, Bernard Mazoyer, Catherine Méring, Jean-Maurice Monnoyer, Jean-Loup Puget, Jean-Loup Risler, Daniel Rouan.

Les nouveaux regards de l’astronomie.
La palette des instruments d’observation d’aujourd’hui*1

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par Daniel Rouan

L’astrophysicien est avant tout, et cela n’est pas péjoratif, un physicien passif. Il observe l’Univers, il n’agit pas sur lui ; il existe, bien sûr, quelques exceptions, lorsque l’on envoie une sonde sur Mars pour en gratter la surface et l’étudier, ou lorsque l’on analyse par un écho radar le sol de certaines planètes, on agit sur l’objet d’étude, mais cela reste très localisé, cantonné au système solaire. Pour l’essentiel, l’astronome se contente d’observer les signaux que lui envoie l’Univers. À cette fin, il peut s’intéresser à plusieurs vecteurs d’informations : il peut par exemple détecter les rayons cosmiques, des atomes arrivant sur Terre avec une vitesse proche de celle de la lumière, il pourra capter dans quelques années les ondes gravitationnelles quand les détecteurs seront au point ; aujourd’hui cependant, son plus grand pourvoyeur d’informations demeure, et de très loin, le rayonnement électromagnétique qui, depuis les rayons gamma jusqu’aux ondes radio, couvre une palette immense de phénomènes et ouvre donc des fenêtres multiples sur l’Univers.

J’ai choisi d’illustrer trois domaines en plein développement, dans lesquels cette information est recueillie au moyen d’instruments de haute technologie récemment mis au point : le domaine des rayons X avec le satellite XMM, le domaine du visible et de l’infrarouge proche avec le Very Large Telescope et son instrumentation sophistiquée et, enfin, le domaine du rayonnement radiomillimétrique, avec le réseau d’antennes de l’IRAM au plateau de Bures.

Le rayonnement électromagnétique

Le spectre électromagnétique est un terme un peu effrayant d’abord par le caractère fantomatique du mot « spectre », ensuite par les notions de physique un peu rebutantes évoquées par le qualificatif « électromagnétique ». Mais, derrière les mots, une réalité beaucoup plus familière apparaît si nous réalisons que nous baignons en permanence dans une soupe d’ondes électromagnétiques dont nous connaissons plusieurs formes très quotidiennes comme les rayons X de la médecine, la lumière visible ou les ondes radio. La lumière, qui a été durant des siècles l’unique vecteur des informations recueillies par l’astrophysicien, couvre en fait un domaine très restreint d’à peu près une octave ; c’est-à-dire qu’entre la longueur d’onde la plus courte que l’œil peut détecter (400 nm) et la plus grande (800 nm), il n’y a qu’une multiplication par deux. La grande révolution de la seconde moitié du siècle dernier s’est produite quand l’astrophysicien a pu capter des longueurs d’onde beaucoup plus petites et beaucoup plus grandes que celles de cette lumière visible. D’un côté les ondes courtes, qui vont des ultraviolets aux rayons gamma en passant par les rayons X, correspondent à des rayonnements très énergétiques. De l’autre côté, les très grandes longueurs d’onde couvrant le domaine de l’infrarouge, du millimétrique et des ondes radio kilométriques, nous renseignent sur des phénomènes subtils au sein des milieux froids et ténus.

Arrivé à ce point, quelques définitions sont nécessaires. Une onde électromagnétique se propage depuis sa source comme des rides successives à la surface d’une mare dans laquelle on a jeté une pierre. On définit plusieurs grandeurs fondamentales à partir de cette propagation : la première est la « longueur d’onde », qui est simplement la distance entre deux crêtes successives de ces vaguelettes qui progressent. On définit aussi une « période », c’est-à-dire le temps de passage entre deux de ces crêtes. Puisque cette propagation se fait toujours à la même vitesse, celle de la lumière, on peut relier la période et la longueur d’onde par une relation très simple : la longueur d’onde est égale à la vitesse de la lumière multipliée par la période. On parle souvent également en termes de « fréquence », qui est simplement l’inverse de la période (la fréquence est donnée en hertz, unité bien connue de tous ceux qui écoutent la radio en FM).

Le domaine du rayonnement électromagnétique auquel accède l’astronome se révèle en fait gigantesque en regard de l’unique octave du rayonnement visible : il couvre 21 décades en longueurs d’onde ! Cela signifie que la longueur d’onde du rayonnement radio le plus grand que l’on peut étudier, disons le kilomètre, est 1 000 milliards de milliards de fois plus grande que la longueur d’onde la plus courte détectée dans le domaine des rayonnements gamma. Si on imagine ce domaine comme les gammes successives d’un piano, celui-ci comporterait 70 octaves ! Il va falloir une certaine virtuosité à l’astrophysicien pour jouer d’un un tel instrument, mais en revanche cela va lui conférer une très grande puissance dans l’analyse des objets astrophysiques auxquels il va se consacrer.

Un fait étonnant est que, malgré l’ampleur de ce domaine, les principes physiques qui gouvernent la création et la propagation de ces ondes électromagnétiques sont les mêmes, à commencer bien sûr par la vitesse de propagation qui est toujours et immuablement celle… de la lumière.

L’énergie transportée par le rayonnement est en revanche très variable suivant la longueur d’onde. À ce propos, intéressons-nous plutôt au photon, l’autre visage, corpusculaire cette fois, que va prendre ce rayonnement électromagnétique, que ce soit la lumière ou tout autre rayonnement (gamma, radio). Dans certaines conditions, la lumière se comporte comme une collection de petits grains d’énergie, les photons, chacun emportant une quantité précise d’énergie. Cette énergie est simplement donnée par une constante, la constante de Planck (du nom du physicien qui établit la relation), divisée par la période. Le physicien préfère en fait utiliser la relation équivalente E = hν, c’est-à-dire la constante de Planck multipliée par la fréquence. On remarque alors qu’un photon radio transportera bien peu d’énergie, en fait 10²¹ fois moins qu’un photon gamma. Ce n’est pas vraiment une surprise si on réalise que nous sommes constamment traversés par les ondes de radio ou de télédiffusion totalement inoffensives, tandis que les dégâts causés à nos cellules par la radioactivité gamma, comme cela a pu se produire après l’accident de Tchernobyl par exemple, sont bien connus. On imagine aisément qu’avec une telle couverture en énergie, les phénomènes qui produisent ces photons vont être radicalement différents suivant que l’on va s’intéresser à des rayonnements gamma ou, à l’autre extrémité du spectre, à des émissions millimétriques ou radio. Pour s’en faire une idée en termes de températures, on peut appliquer une règle simple : plus un corps est chaud, plus il va émettre des longueurs d’onde courtes ; plus précisément, la longueur d’onde caractéristique λ, donnée en micromètres, est reliée à la température par la loi approchée : λ = 3 000/T, T étant la température du corps en degrés kelvin. Considérons un premier exemple familier : la température de la Terre est de 300 kelvins environ, soit λ = 3 000/300 = 10 microns ; notre environnement émet vers 10 microns, la longueur d’onde favorite des planétologues qui, pour analyser les corps du système solaire, utilisent souvent des caméras infrarouges sensibles à ces longueurs d’onde. On peut citer un autre exemple, celui du Soleil : sa température de surface est de 6 000 kelvins environ, soit une émission à la longueur d’onde λ = 3 000/6 000 = 0,5 micron, qui correspond au domaine visible auquel nos yeux sont sensibles : c’est rassurant, la nature ne s’est pas trompée ! Ainsi, on aura d’un côté des rayonnements très énergétiques correspondant à des objets très chauds et de l’autre des rayonnements à grande longueur d’onde émis par des objets plus froids.

Examinons la figure 1 (voir hors-texte) qui montre la Voie lactée, la galaxie à laquelle appartient notre système solaire, telle qu’elle nous apparaît à différentes longueurs d’onde. Cette image est très riche en informations. On note par exemple que la galaxie présente une similitude étonnante entre les rayonnements gamma et les rayonnements radio. En première analyse, cela pourrait paraître contradictoire avec ce qui a été énoncé plus haut. L’explication tient au fait qu’il existe des régions où se concentre la formation d’étoiles contenant à la fois du gaz relativement froid à partir duquel naissent les étoiles – il émet dans le domaine radio – et des étoiles massives à la vie très brève, qui explosent en supernovae caractérisées par un intense rayonnement gamma. Ce qui est frappant lorsque l’on considère ces différentes images, c’est qu’en fait c’est dans le visible, rappelons-le, le seul domaine d’observation durant des siècles, que l’on trouve l’information la moins riche ; il en est ainsi à cause de la présence de petites particules solides dans le plan de notre galaxie, qui finissent par bloquer la lumière et nous dissimulent les régions les plus lointaines. Seules les étoiles relativement proches du Soleil nous apparaissent à l’œil nu. La plupart des autres types de rayonnements vont traverser cette poussière sans altération et permettront d’aller sonder beaucoup plus loin notre galaxie, un avantage essentiel.

Figure 1 – La Voie lactée, notre galaxie, vue à différentes longueurs d’onde, chacune révélant des objets et des phénomènes différents.

Et l’Univers, comment rayonne-t-il globalement ? Comment se répartit, suivant les longueurs d’onde, son émission, si on additionne entre elles toutes les contributions de toutes les directions dans l’espace ? On constate (Fig. 2) que l’énergie est maximale à de très grandes longueurs d’onde qui correspondent à l’émission du fameux « corps noir cosmologique », témoin fatigué de l’époque où l’Univers était bouillant après sa naissance lors du Big Bang ; la découverte de ce rayonnement a valu un prix Nobel à Penzias et Wilson. L’Univers émet donc préférentiellement dans le domaine millimétrique. Cependant, cette domination n’est que modeste et la répartition des émissions demeure malgré tout assez équilibrée tout au long du spectre. C’est assez satisfaisant pour le physicien, car il existe un grand principe de physique, l’équipartition de l’énergie, qui stipule que, pour les systèmes complexes dans lesquels l’énergie peut revêtir différentes formes, cette énergie se répartit harmonieusement entre elles. On observe que, pour l’Univers, ce principe s’applique dans l’ensemble assez bien, dans la mesure où chaque domaine de longueur d’onde traduit un de ces phénomènes particuliers porteur d’une de ces formes d’énergie.

Pour compléter ce panorama, on notera que l’écran de l’atmosphère constitue en général un problème majeur : en effet, pour une gamme importante de longueurs d’onde, l’atmosphère devient un écran opaque. La seule solution est alors de s’élever au-dessus de l’atmosphère. Si l’avion et le ballon sont parfois les porteurs d’expériences à coût modéré, le véhicule devenu rapidement incontournable est le satellite : c’est l’une des principales raisons pour lesquelles l’astronomie ne s’est développée hors de l’étroite fenêtre du visible que dans la seconde moitié du XX^e siècle, quand l’espace a pu être conquis.

Figure 2 – La distribution du rayonnement émis par l’Univers suivant les longueurs d’onde ; la bosse principale correspond au corps noir cosmologique ; le pointillé c...

Table des matières

• Couverture
• Titre
• Copyright
• Introduction
• Manipulation et visualisation des ondes de matière - par Claude Cohen-Tannoudji
• Les microscopies électroniques : observer et manipuler. La matière « atome par atome » - par Jean Klein
• Les accélérateurs de particules : du microcosme au macrocosme - par Alvaro De Rujula
• Cartographie du cerveau et de la pensée - par Bernard Mazoyer
• Forcer l’observation naturelle ? - par Jean-Maurice Monnoyer
• L’apport de l’informatique dans la visualisation des observables cachés en science et en médecine - par Jacques Demongeot
• Comment la science représente le réel - par Gilles Gaston Granger
• Observer l’art : entre voir et savoirs - par Daniel Arasse
• L’observation du Globe - par Vincent Courtillot
• Le regard des satellites sur le climat - par Jean-Louis Fellous
• L’océan en mouvement - par Pierre Bahurel
• L’observation de la Terre par les satellites - par Catherine Méring
• Les observations récentes en astrophysique - par André Brahic
• Les nouveaux regards de l’astronomie. La palette des instruments d’observation d’aujourd’hui - par Daniel Rouan
• Observations et cosmologie : entre l’astrophysique et la physique fondamentale - par Jean-Loup Puget
• Images du ciel : la quête de la finesse - par Pierre Léna
• Les techniques d’observation et d’exploration corporelle - par Geneviève Berger
• La pratique de l’échographie et l’observation des patients - par Michel Boynard
• L’Observatoire virtuel - par Daniel Egret
• Génomique et informatique - par Jean-Loup Risler
• Présentations des auteurs
• Table