Comment les radiotélescopes nous montrent des galaxies invisibles

Notre univers est étrange, merveilleux et vaste, nous dit l'astronome Natasha Hurley-Walker. Un vaisseau spatial ne peut pas (encore) nous emmener dans ses profondeurs, mais un radiotélescope le peut. Dans cette fascinante conférence pleine d'images, Mme Hurley-Walker nous montre comment elle sonde les mystères de l'univers en utilisant une technologie qui révèle des parties du spectre optique que nous ne pouvons pas voir.

L'Espace, l'ultime frontière.

J'ai entendu ces mots pour la première
fois quand j'avais seulement six ans,

et ça m'a complètement inspirée.

Je voulais explorer
des mondes nouveaux et étranges.

Je voulais rechercher
de nouvelles vies.

Je voulais voir tout ce que
l'univers avait à offrir.

Et ces rêves, ces mots,
ils m'ont poussé dans cette aventure,

un voyage fait de découvertes,

à travers l'école et l'université,

pour faire un doctorat et finalement
devenir une astronome professionnelle.

J'ai appris deux choses incroyables,

dont une un peu regrettable,

lorsque j'ai fait mon doctorat.

J'ai appris qu'en réalité

je ne piloterais probablement pas
une navette spatiale de sitôt.

Mais j'ai aussi appris que l'univers est
étrange, merveilleux et vaste,

et même trop vaste pour être
exploré par vaisseau spatial.

Et je me suis donc tournée vers
l'astronomie, l'utilisation de télescopes.

Je vous montre ici
une image du ciel de nuit.

Vous pouvez le voir de
n'importe où dans le monde.

Et toutes ces étoiles appartiennent
à notre galaxie, la Voie Lactée.

Maintenant, si vous allez
dans un endroit plus sombre,

un site très sombre,
peut-être dans le désert,

vous pourriez voir le centre
de la Voie Lactée

qui s'étend devant vous,
des centaines de milliards d'étoiles.

Et c'est une image très belle.

C'est coloré.

Mais ce n'est toujours qu'un coin
de notre univers.

Et vous pouvez voir qu'il y a une sorte
d'étrange poussière noire.

C'est la poussière locale

qui obscurcit la lumière des étoiles.

Mais on fait déjà du bon travail.

Avec nos propres yeux, on peut
explorer notre petit coin de l'univers.

Il est possible de faire mieux.

On peut utiliser de superbes télescopes
comme le télescope Hubble.

Les astronomes ont construit cette image.

Ça s'appelle le champ
ultra-profond de Hubble,

et ils ont passé des centaines d'heures
à observer une toute petite partie du ciel

plus petite que l'ongle de votre pouce
lorsque vous tendez votre bras.

Et dans cette image,

vous pouvez voir des milliers de galaxies,

et on sait qu'il y a des centaines
de millions, de milliards de galaxies

dans l'univers entier,

certaines semblables à la nôtre
et d'autres très différentes.

Vous vous dites qu'il est possible
de continuer ce voyage.

C'est facile, on peut juste utiliser
un télescope très puissant

et regarder le ciel, pas de problème.

On passerait à côté de beaucoup de choses
en faisant simplement ça.

C'est parce que tout ce dont
je vous ai parlé jusqu'à présent

est fait en utilisant le spectre visible,

juste les choses
que nos yeux peuvent voir,

et c'est une part minuscule

vraiment très petite,
de ce que l'univers a à nous offrir.

Il y a aussi deux problèmes importants
lorsque l'on utilise la lumière visible.

On rate déjà plein de procédés

qui émettent d'autres types de lumière,

mais il y a deux problèmes.

Le premier est la poussière
dont j'ai parlé précédemment.

La poussière empêche la lumière visible
d'arriver jusqu'à nous.

Donc plus on regarde loin dans univers,
moins on voit de lumière.

La poussière l'empêche de nous atteindre.

Mais il y a un problème étrange
quand on utilise la lumière visible

pour essayer d'explorer l'univers.

Arrêtons-nous une minute.

Disons que vous vous tenez dans une rue,
au coin d'une rue très animée.

Il y a des voitures qui passent.

Une ambulance approche.

Elle utilise une sirène au son très aigu.

(Imite la sirène
d'une ambulance qui passe)

Le son de la sirène semble
changer de hauteur

lorsque l'ambulance s'approche
et s'éloigne de vous.

Le conducteur ne change pas la sirène
pour vous embrouiller.

C'est une conséquence de la perception.

Les ondes sonores,
lorsque l'ambulance s'approche,

sont compressées

et le son devient plus aigu.

Quand l'ambulance s'éloigne,
les ondes sonores sont étirées,

et le son devient plus grave.

Il se passe la même chose avec la lumière.

Pour les objets qui avancent vers vous,

leurs ondes lumineuses sont compressées
et ils apparaissent plus bleus.

Pour les objets qui s'éloignent de vous,

leurs ondes lumineuses sont étirées,
et ils apparaissent plus rouges.

On appelle ces effets
le décalage vers le bleu ou le rouge.

Notre univers est en expansion,

donc chaque chose s'éloigne
les unes des autres,

ce qui signifie que tout
semble rouge.

Et donc bizarrement, en regardant
plus profondément dans l'univers,

les objets plus distants
s'éloignent plus loin et plus vite,

et ils apparaissent plus rouges.

Si je reviens
au champ ultra-profond d'Hubble

et que l'on continuait
de regarder profondément dans l'univers,

en utilisant simplement Hubble,

lorsque l'on arrive
à une certaine distance,

tout devient rouge,

et ça devient problématique.

On arrive finalement
à une distance si grande

que toutes les ondes lumineuses
sont décalées dans l'infrarouge

et on ne peut plus rien voir.

Il doit y avoir une manière
de contourner cela.

Sinon, mon voyage est limité.

Je veux explorer l'univers entier,

pas juste ce que je peux voir,
avant le décalage vers le rouge.

Il y a une technique.

Ça s'appelle la radioastronomie.

Les astronomes l'utilisent
depuis des décennies.

C'est une technique fantastique.

Voici le radiotélescope de Parkes,

surnommé « l'antenne ».

Vous avez peut-être vu le film.

Les ondes radio sont vraiment ingénieuses.

Elles nous permettent
de voir encore plus loin.

Elles ne sont pas
arrêtées par la poussière,

on peut donc tout voir dans l'univers,

et le décalage vers le rouge
est moins problématique

car on peut construire des récepteurs
qui captent sur de larges bandes.

Que voit Parkes lorsqu'il est tourné
vers le centre de la Voie Lactée ?

On devrait voir quelque chose
de fantastique, non ?

Eh bien on voit
quelque chose d'intéressant.

Toute la poussière a disparu.

Comme je l'ai dit, les ondes radio
traversent la poussière,

ce n'est pas un problème.

Mais la vue est très différente.

On peut voir que le centre
de la Voie Lactée est brillante,

et ce n'est pas la lumière des étoiles.

C'est une lumière que l'on appelle
le rayonnement synchrotron,

qui est formée par les électrons tournant
autour des champs magnétiques cosmiques.

Le plan est illuminé par cette lumière.

On peut aussi voir
d'étranges touffes en sortir,

et des objets qui
ne semblent pas s'aligner

avec des choses que l'on peut voir
avec nos propres yeux.

Mais il est difficile
d'interpréter cette image,

parce que comme vous pouvez le voir,
la résolution est basse.

Les ondes radio ont
une grande longueur d'onde,

ce qui rend leur résolution mauvaise.

L'image est aussi en noir et blanc,

on ne connaît donc pas la couleur
des choses sur l'image.

Revenons au présent.

On peut construire des télescopes

qui surmontent ces problèmes.

Je vous montre une image
de l'observatoire de Murchison

un endroit fantastique
pour construire des radiotélescopes.

C'est plat, sec,

et plus important,
sans interférences radio :

pas de téléphones, de Wi-Fi, rien,

c'est juste radioélectriquement calme,

et donc un endroit parfait
pour construire un radiotélescope.

Le télescope sur lequel
je travaille depuis quelques années

s'appelle le
Murchison Widefield Array (MWA)

et je vais vous montrer
un petit timelapse de sa construction.

Voici un groupe d'étudiants,
diplômés ou non

venant de Perth.

On les appelle l'armée des étudiants,

et ils donnent de leur temps
pour construire un radiotélescope.

Il n'y a pas de crédits académiques
pour ça.

Et ils assemblent
ces dipôles radio.

Ils reçoivent juste à basses fréquences
un peu comme votre radio FM, ou votre TV.

Et ici on les déploie dans le désert.

Le télescope final couvre
10 kilomètres carrés

du désert occidental australien.

Ce qui est intéressant,
c'est qu'il n'y a pas de parties mobiles.

On déploie juste ces petites antennes

faites essentiellement
de grillage à poule.

Ce n'est pas très cher.

Les câbles amènent les signaux

depuis les antennes

vers les unités centrales de traitement.

Et c'est la taille de ce télescope,

le fait qu'on l'ait construit
sur le désert tout entier

qui nous donne une meilleure
résolution que celui de Parkes.

Finalement, tous ces câbles
amènent les signaux à une unité

qui les envoie à un superordinateur
ici à Perth,

et c'est là que j'interviens.

(Soupir)

Les données radio.

J'ai passé ces cinq dernières années

à travailler avec des données
très complexes et intéressantes

que personne n'avait vraiment
analysées avant.

J'ai passé beaucoup de temps
à faire la calibration,

à exécuter des millions d'heures CPU
sur les superordinateurs

en essayant de vraiment
comprendre ces données.

Et avec ce télescope,

avec ces données,

on a fait une étude sur
toute la partie australe du ciel,

l'étude GaLactic et
Extragalactic All-sky MWA

ou GLEAM comme je la surnomme.

Et je suis très enthousiaste.

Cette étude va bientôt être publiée,
mais elle n'a pas encore été montrée,

donc vous êtes les premières personnes

à voir cette étude du ciel austral entier.

Je suis ravie de partager avec vous
quelques images de l'étude.

Imaginez que vous alliez à Murchison,

que vous campiez à la belle étoile

et que vous regardiez vers le sud.

Vous verriez le pôle céleste sud,

le lever de galaxie.

Si j'y ajoute les ondes radio,

voici ce que nous observons
avec notre étude.

On voit que le plan galactique
n'est plus obscurci par la poussière,

mais illuminé par
des rayonnements synchrotrons,

et il y a des milliers
de points dans le ciel.

Le Grand Nuage de Magellan,
notre voisin galactique le plus proche,

est orange au lieu
de son bleu-blanc habituel.

Il y a beaucoup à observer,
intéressons-nous aux détails.

Si on regarde à nouveau
vers le centre galactique,

où on voyait l'image de Parkes
que je vous ai montré précédemment,

avec un mauvaise résolution
et en noir et blanc,

et que l'on passe à l'image par GLEAM,

vous pouvez voir que la résolution
a augmenté d'un facteur de cent.

On a à présent une vision colorée du ciel,

une vision en couleur.

Ce n'est pas une vue
avec des couleurs artificielles.

Ce sont les vraies couleurs radio.

J'ai coloré les fréquences
les plus basses en rouge,

et les plus hautes en bleu,

et les intermédiaires en vert.

Et ça nous donne cet arc-en ciel.

Ce n'est pas juste de fausses couleurs.

Les couleurs dans cette image
nous informe sur les procédés physiques

qui ont lieu dans l'univers.

Par exemple, si vous regardez
le long du plan de la galaxie,

c'est illuminé par les ondes synchrotron,

qui sont majoritairement
d'un orange rougeâtre,

mais si on regarde très précisément,
on voit de petits points bleus.

Maintenant, si on zoome,

ces points bleus sont des plasmas ionisés

autour d'étoiles très brillantes,

et ce qu'il se passe
c'est qu'ils bloquent la lumière rouge,

et apparaissent donc bleus.

Et cela nous informe
sur ces régions où se forment les étoiles

dans notre galaxie.

Et on les voit immédiatement.

On regarde la galaxie,
et la couleur nous dit qu'ils sont là.

Vous pouvez voir
de petites bulles de savon,

de petites images circulaires
autour du plan galactique,

ce sont des restes de supernovas.

Lorsqu'une étoile explose,

son enveloppe externe est expulsée

et elle voyage dans l'espace
en amassant de la matière,

et cela produit ces petites coquilles.

Depuis longtemps,
le devenir des restes de supernovas

était un mystère pour les astronomes.

On sait qu'il doit y avoir beaucoup
d'électrons à haute énergie dans le plan

pour produire le rayonnement
synchrotron que l'on voit,

et on pense qu'elle est produite
par les restes de supernovas,

mais elles ne semblent pas
être suffisantes.

Heureusement, GLEAM est très performant
pour détecter les restes de supernovas,

donc on espère bientôt publier
un nouveau document à ce sujet.

Nous avons exploré
notre petit univers local,

mais je voulais aller
plus profondément et plus loin.

Je voulais aller
au-delà de la Voie Lactée.

Et en fait, on peut voir quelque chose
d'intéressant en haut à droite,

et c'est une radiogalaxie locale.

Centaurus A.

Si on zoome dessus,

on peut voir qu'il y a deux énormes
panaches éjectés dans l'espace.

Et si vous regardez au centre
entre ces deux panaches,

vous verrez une galaxie, comme la nôtre.

C'est une spirale.
Elle a une bande de poussière.

C'est une galaxie normale.

Mais ces panaches sont seulement
visibles avec les ondes radio.

Si on regarde dans le visible,
on ne saurait même pas qu'ils sont là,

et ils sont mille fois plus grand
que leur galaxie hôte.

Qu'est ce qu'il se passe ?
Qu'est ce qui les produit ?

Au centre de toutes galaxies
que l'on connait

il y a un trou noir super massif.

Les trous noirs sont invisibles,
d'où leur nom.

Tout ce que l'on peut voir, c'est
la déviation de la lumière autour d'eux,

et occasionnellement, quand une étoile
ou un nuage de gaz entre dans son orbite,

ils sont déchirés par
des forces d'attraction,

formant ce que l'on appelle
un disque d'accrétion.

Ce disque d'accrétion émet
intensément des rayons X,

et les énormes champs magnétiques
peuvent envoyer la matière dans l'espace

presque à la vitesse de la lumière.

Donc ces panaches sont visibles
dans les ondes radio

et c'est ce que l'on a choisi
dans notre étude.

Bien, très bien, on a vu une radiogalaxie.
C'est sympa.

Mais si vous regardez
au-dessus de cette image,

vous verrez une autre radiogalaxie.

C'est un petit peu plus petit, et c'est dû
au fait qu'elle est plus lointaine.

OK. Deux radiogalaxies.

On peut voir ça, c'est bien.

Mais qu'en est-il
de tous les autres points ?

Ce ne sont probablement
que des étoiles.

Ce n'est pas le cas.

Ce sont des radiogalaxies.

Chaque point de cette image

est une galaxie lointaine,

à des millions jusqu'à des milliards
d'années lumières de nous

avec un trou noir super massif
à leur centre

qui envoie de la matière dans l'espace, à
une vitesse proche de celle de la lumière.

C'est époustouflant.

Et cette étude est plus grande
que ce que je vous ai montré ici.

Si on fait un zoom arrière,
pour voir l'ensemble du domaine d'étude,

vous pourriez voir que j'ai trouvé
300 000 de ces radiogalaxies.

C'est donc une véritable épopée.

On a découvert toutes ces galaxies

jusqu'aux premiers
trous noirs super massifs.

J'en suis très fière,
et ce sera publié la semaine prochaine.

Mais ce n'est pas tout.

J'ai exploré les coins les plus éloignés
de la galaxie avec cette étude,

mais il y a quelque chose
de plus dans cette image.

J'aimerai vous ramener
à l'aube du temps.

Quand l'univers s'est formé,
il y a eu le big bang,

qui a laissé l'univers sous forme
d'une mer d'hydrogène,

de l'hydrogène neutre.

Et quand les premières étoiles
et galaxies se sont allumées,

elles ont ionisé cet hydrogène.

L'univers est donc passé
de neutre à ionisé.

Cela a imprimé un signal autour de nous.

Partout, il nous imprègne,

comme la Force.

Comme cela s'est passé
il y a si longtemps,

le signal s'est décalé dans le rouge,

donc ce signal est maintenant
à de très basses fréquences.

C'est à la même fréquence que mon étude,

mais c'est très léger.

C'est à un milliardième de la taille
de n'importe quel objet de mon étude.

Nos télescopes ne sont peut-être pas assez
sensibles pour capter ce signal.

Toutefois, il y a un nouveau
radiotélescope.

Donc je ne peux pas avoir
de navette spatiale,

mais je peux avoir un des plus gros
radiotélescopes du monde.

On construit le Square Kilometre Array,
un nouveau radio télescope,

et il sera mille fois
plus gros que le MWA,

mille fois plus sensible,
et il aura une meilleure résolution.

On devrait trouver des dizaines
de millions de galaxies.

Et peut-être, profondément dans ce signal,

je pourrai regarder les premières étoiles
et galaxies qui s'allument,

et le début du temps lui-même.

Merci.

(Applaudissements)