Le Galatron est un “télescope à hydrogène” réalisé au laboratoire, à destination du grand public (Fête de la Science et prêt dans les lycées). Ce télescope à hydrogène repose sur la détection d’ondes radio à une fréquence de 1420.4 MHz [1]. En effet, l’hydrogène neutre sous forme atomique peut émettre une onde électromagnétique de 1420.4 MHz lors de la transition atomique hyperfine de l’état fondamental.
Partout ! il s’agit de l’élément chimique le plus abondant de l’Univers, mais il n’est pas distribué de manière isotrope ; il est majoritairement concentré au sein des galaxies. Depuis la Terre et avec ce modeste matériel, nous pouvons observer l’hydrogène contenu dans notre galaxie : la Voie Lactée.
Le dispositif est constitué d’une antenne « cornet », qui permet de capter les ondes radio provenant d’une direction (à l’ouverture angulaire près de l’ordre 15°), dans une gamme de fréquence comprise entre 900- et 1600 MHz. Le signal reçu par l’antenne est ensuite filtré en fréquence et amplifié dans la gamme de fréquence désirée avant d’être transmis à un système d’acquisition via un port USB.
La mesure exploitée est l’intensité des ondes radio (ondes électromagnétiques) reçues en fonction de la fréquence pendant un intervalle de temps déterminé (quelques minutes). La figure suivante montre deux exemples de mesures d’intensité en fonction de la fréquence de l’onde reçue, les données représentées en rouge correspondent à une région du ciel qui contient le plan galactique (b=0°) et les données en noires correspondent à une région du ciel en dehors du plan galactique (b=38°).
Nous observons pour l’observation dans le plan galactique deux pics : un à 1420,5 MHz et l’atre à 1420,85 MHz. Ceci montre la présence d’hydrogène dans le plan galactique, les fréquences mesurées de ces pics sont ici décalées à cause de l’effet Doppler relativiste ; ils nous indiquent que l’hydrogène est en mouvement par rapport à notre antenne et non au repos comme l’indiquerait la ligne bleue. La présence de deux pics nous montre aussi que l’hydrogène n’est pas réparti de manière homogène au sein du disque de notre galaxie.
Nous avons ‘cartographié’ la distribution d’hydrogène visible dans le ciel depuis le laboratoire. Pour ce faire, nous avons effectué des acquisitions toutes les minutes pendant 24 heures. La vidéo montre une image du ciel apparent depuis notre position (fourni par le logiciel Stellarium[2]) ainsi que la densité de puissance en fonction de la fréquence mesurée par l’antenne (symbolisée par un rond vert sur l’image). Là encore, nous observons la présence de signaux lorsque le disque galactique passe devant notre antenne.
Cette mesure a été répétée à différents angles observations, la figure montre la trajectoire de chaque observation (en noir) ainsi que la densité totale de puissance dans la bande de fréquence de détection de l’hydrogène (bleue pour de faible densité de puissance et rouge pour d’intenses densité de puissance).
Ces mesures ont été reportées sur une seule carte qui est montrée ci-dessous …
Pour finir, grâce au décalage en fréquence dû à l’effet Doppler, nous pouvons mesurer la vitesse relative par rapport à la Terre de l’hydrogène observé. Sur la figure suivante, nous avons sélectionné les observations de l’équateur galactique, et nous avons représenté l’intensité de la raie hydrogène en fonction de la direction d’observation du plan galactique et de la vitesse relative.
Nous observons sur ce graphique la présence de vitesse relative différente pour une même direction azimutale, ce qui nous montre la présence de différents « bras » d’hydrogène dans notre galaxie, qui correspondent à la structure en spirale de notre galaxie.
En résumé, le Galatron, qui est constitué d’une antenne cornet, de deux filtres de fréquences, d’amplificateur et d’une clef USB radio, nous a permis d’observer que l’hydrogène n’était pas distribué de manière uniforme dans l’Univers mais qu’il est concentré dans les disques galactiques. En ce qui concerne notre galaxie, nous pouvons même observer la présence d’endroits précis dans lequel se concentre l’hydrogène, ce qui est en accord avec la structure attendue en spirale de la Voie Lactée.
La publication [3] de la collaboration HI4PI présente une mesure de la densité d’hydrogène à travers tout le ciel obtenue à l’aide de radio-télescopes de recherche, pour plus de détails.