Comment les radiotélescopes détectent les signaux de l'espace lointain

Les radiotélescopes ne ressemblent pas aux télescopes optiques, mais ils fonctionnent selon le même principe fondamental : collecter la lumière, la focaliser et l'analyser. La différence est la longueur d'onde. Selon l'Observatoire national d'astronomie radio des États-Unis (NRAO), les radiotélescopes observent des longueurs d'onde comprises entre environ 1 millimètre et 10 mètres, beaucoup plus longues que les quelques centaines de nanomètres de la lumière visible, c'est pourquoi leurs « lentilles » sont des plats de métal plutôt que du verre.

Transformer un faible murmure en données utilisables

Le NRAO décrit les signaux radio cosmiques comme étonnamment faibles, en notant qu'un seul signal de téléphone cellulaire porte environ un milliard de milliards de fois plus d'énergie que les faibles ondes radio cosmiques que ces télescopes sont construits pour détecter. Pour attraper quelque chose d'utile, un radiotélescope a besoin d'une grande zone de collecte et d'électronique sensible.

• Un plat parabolique, dont la forme courbe réfléchit les ondes radio entrantes vers un unique point focal au-dessus
• Un cornet d'alimentation à ce point focal, un entonnoir de métal dimensionné à la longueur d'onde étudiée, qui canalise les ondes vers le récepteur
• Un récepteur, souvent refroidi à très basse température, qui détecte le signal et le transmet
• Un amplificateur qui augmente le signal avant d'être enregistré pour analyse

Liaison de télescopes ensemble : interférométrie

Un seul plat, aussi grand soit-il, ne peut pas correspondre au détail fin qu'un télescope optique peut réaliser. Le NRAO explique que les radioastronomes résolvent ce problème avec l'interférométrie : en pointant plusieurs antennes sur le même objet et en utilisant un superordinateur appelé corrélateur pour combiner leurs signaux comme s'ils provenaient d'un seul télescope géant. Parce que le même signal cosmique arrive à chaque antenne à un instant légèrement différent, les différences de temps résultantes permettent aux astronomes de reconstruire beaucoup plus de détails que n'importe quel plat unique ne pourrait capturer seul. Le NRAO note que les corrélateurs peuvent fonctionner à des vitesses de femtoseconde, effectuant jusqu'à 16 quadrillions d'opérations par seconde, et que son Réseau de base très longue étale les antennes à travers les continents, synchronisées par des horloges atomiques de maser à hydrogène précises à quelques milliardièmes de seconde.

Imager un trou noir avec un télescope de la taille de la Terre

La démonstration la plus claire de cette technique est le Télescope du Horizon des événements (EHT). Selon le NRAO, il relie huit radiotélescopes au sol répartis dans le monde, qui ont observé ensemble lors d'une campagne de 2017 en utilisant l'interférométrie de base très longue pour qu'ils agissent comme un seul instrument d'environ la taille de la Terre. Chaque télescope a enregistré environ 350 téraoctets de données par jour ; les enregistrements ont été transportés ultérieurement vers des corrélateurs spécialisés à l'Institut Max Planck d'astronomie radio et à l'Observatoire Haystack du MIT pour être combinés.

La cible était le trou noir supermassif au centre de la galaxie M87. Son horizon d'événements s'étend sur environ 40 milliards de kilomètres, mais de la Terre, l'anneau lumineux résultant autour de son ombre mesurait seulement environ 40 microarcseconde de largeur — une échelle que le NRAO compare à « mesurer la longueur d'une carte de crédit sur la surface de la Lune ». Les données combinées ont produit la première image de l'ombre d'un trou noir.

Capturer des flashes de fraction de seconde de tout l'univers

Pas tous les radiotélescopes ne dépendent d'un plat. CHIME, l'Expérience canadienne de cartographie d'intensité d'hydrogène à l'Observatoire d'astrophysique radio Dominion en Colombie-Britannique, utilise quatre réflecteurs cylindriques demi-conduit fixes sans pièces mobiles, selon MIT Physics. Au lieu d'un matériel de pointage, son corrélateur traite environ 7 térabits de données par seconde pour reconstruire numériquement les signaux arrivant de milliers de directions du ciel simultanément.

Cette conception a rendu CHIME extraordinairement efficace pour capturer les rafales de radio rapides (FRBs), des éclairs de milliseconde d'énergie radio de l'espace lointain. Au cours de sa première année d'exploitation, 2018–2019, CHIME a détecté 535 nouveaux FRBs, quadruplant presque les environ 140 sursauts connus dans le monde jusqu'à ce moment, a rapporté MIT Physics. La récolte comprenait 18 sources qui ont éclaté à plusieurs reprises, un schéma qui suggérait que les FRBs répétitifs et les FRBs ponctuels pourraient provenir de différents mécanismes astrophysiques.

Le plus grand plat du monde, et ce qui vient ensuite

Le Télescope sphérique à ouverture de cinq cent mètres de la Chine (FAST), construit dans une vallée naturelle dans la province du Guizhou, a un plat de 500 mètres composé d'environ 4 400 panneaux d'aluminium ajustables, lui donnant une ouverture effective d'environ 300 mètres à tout moment donné, selon EarthSky. Il observe des longueurs d'onde de 10 centimètres à 4,3 mètres et a environ le double de la zone de collecte du plat Arecibo de 305 mètres qu'il a surpassé en taille. FAST est devenu entièrement opérationnel en janvier 2020 et a commencé à allouer environ 10 % de son temps d'observation aux chercheurs internationaux en août 2021.

Cette sensibilité s'est traduite par une récolte record de pulsars —des étoiles à neutrons en rapide rotation qui balayent les faisceaux d'ondes radio au-delà de la Terre comme un phare. Depuis octobre 2025, FAST avait identifié 1 152 pulsars, plus que le total combiné trouvé par les autres télescopes dans le monde au cours de la même période, a rapporté le radiodiffuseur d'État chinois CGTN.

Le prochain bond à l'échelle est déjà en construction. L'Observatoire SKA construit deux réseaux complémentaires, selon sa propre description du projet : SKA-Low en Australie-Occidentale, avec 131 072 antennes réparties sur une ligne de base maximale de 74 kilomètres, et SKA-Mid en Afrique du Sud, avec 197 antennes de plat couvrant une ligne de base maximale de 150 kilomètres. Ensemble, les deux sites sont destinés à permettre aux astronomes d'étudier la structure des galaxies, les environnements autour des trous noirs et les ondes gravitationnelles avec plus de détails que les instruments existants ne le permettent.