Sept ans : c’est le temps qu’il aura fallu à une équipe internationale pour cartographier plus d'un quart du ciel de l'hémisphère nord. Le radiotélescope européen Low Frequency Array (LOFAR) et des supercalculateurs ont été mis à contribution pour obtenir « un visage très dynamique de notre Univers ».

Afin de produire cette immense carte, des algorithmes développés au laboratoire Galaxies, étoiles, physique et instrumentation (GEPI, unité mixte de l’Observatoire de Paris et du CNRS) ont été mis à contribution, sur « de puissants ordinateurs dans toute l'Europe ».

Ils ont traité « 3 500 heures d'observations qui occupent 8 Po d'espace disque (équivalent à une pile de DVD de 2 km de haut). Cette publication de données, qui est de loin la plus importante du LOFAR Two-meter Sky Survey, présente environ un million d'objets qui n'ont jamais été vus auparavant - tout domaine d’énergie confondu », explique le CNRS. 

Maintenant que les chercheurs « maison » ont tiré le maximum de ce qu’ils pouvaient des données avec de nombreuses publications scientifiques à la clé, les autres peuvent se lancer dans l’aventure avec la Data Release 2 (DR2). Pour le CNRS et l’Observatoire de Paris, il s’agit d’un « trésor de données ».

Mais au fait, c’est quoi LOFAR ? 

Le LOFAR (LOw Frequency ARray ou grille à basses fréquences dans la langue de Molière) est un interféromètre constitué de plus de 50 000 antennes en Europe, dont 60 % rien qu’aux Pays-Bas. Elles sont réparties en 52 « stations », dont 38 se situent chez nos voisins néerlandais. Sur les 14 restantes ailleurs dans le monde, une seule station – FR606, constituée de deux champs d’antennes – est en France, à Nançay dans le Cher. L’interféromètre est en service depuis dix ans.

L’observatoire de Nançay explique que, contrairement aux radiotélescopes plus classiques, LOFAR ne dispose d’aucune partie mobile, il ne peut donc pas être « pointé » vers une direction comme peut le faire un télescope classique : « Pour LOFAR, le pointage se fait par un traitement numérique : les signaux de certaines antennes sont retardés par rapport aux autres. Le choix précis de ce retard définiT la direction d’observation. C’est entre autres pour cela qu’on parle d’un télescope numérique ».

1 632 antennes en France

La branche française se divise en deux parties. D'abord un premier champ basse fréquence avec 96 antennes couvrant une gamme allant de 10 à 90 MHz. « Elles sont chacune formée de 2 dipôles "en V inversé" croisés, de manière à être sensibles à deux polarisations linéaires orthogonales des ondes reçues ».

Le second est, comme on peut s’en douter, un champ haute fréquence avec cette fois-ci 1 536 antennes couvrant des fréquences de 110 à 270 MHz. Les antennes sont regroupées en 96 groupes (ou tuiles) avec chacun 16 antennes. Il s’agit là encore de dipôles croisés comme les antennes basse fréquence, mais de plus petite taille.

Les signaux ainsi reçus « passent par les récepteurs radio numériques (96 au total), échantillonnant le signal des antennes à 200 MHz (200 millions d’échantillons / seconde), puis le combinant pour former un ou plusieurs faisceaux simultanés sur le ciel », et on ne parle toujours que de la partie française.

Les données sont ensuite envoyées au supercalculateur central de LOFAR à Groningen aux Pays-Bas, via une fibre optique à plus de 3 Gb/s, explique le laboratoire de Nançay. La machine se charge ensuite de « combiner les signaux de FR606 avec ceux des autres stations LOFAR ».

Galaxies, étoiles, trous noirs, exoplanètes… 

Les domaines d’études de l’interféromètre sont larges et variés : « la formation des galaxies, amas de galaxies et grandes structures de l’Univers, le champ magnétique dans notre propre galaxie aussi bien que dans des galaxies lointaines, la cartographie profonde du ciel radio, l’étude du Soleil, la détection des rayons cosmiques de très haute énergie et celle de milliers de sources transitoires et rapides comme les pulsars, les explosions d’étoiles, les trous noirs … et peut-être même les exoplanètes ».

Pour en revenir à nos 4,4 millions de moutons galaxies, l’Observatoire de Paris précise que la majorité des objets détectés se trouvent très loin, à des milliards d’années-lumière : « Leur lumière radio est créée par des particules électriquement chargées et hyper énergétiques, accélérées par des explosions d’étoiles jeunes et massives dans des galaxies ou par d’énormes trous noirs ». Il ajoute que des objets plus rares ont aussi été découverts, notamment « des groupes de galaxies lointaines en collision et des étoiles éruptives dans la Voie lactée ».

Les données dont il est aujourd’hui question ne sont pas nouvelles, mais elles n’étaient jusqu’alors accessibles qu’aux seuls scientifiques du consortium en charge de LOFAR. Le grand changement est que tout le monde peut maintenant en profiter.

De nombreux articles ont d’ores et déjà été mis en ligne au cours des dernières années, notamment sur « l’observation des "galaxies méduses" qui libèrent de la matière lorsqu’elles traversent leur environnement ou des immenses éruptions d’énergie par des trous noirs qui perturbent le milieu extragalactique ».

Autre avancée : « la découverte de signaux provenant d’étoiles proches et qui pourraient être induits par des exoplanètes en orbite ou la détection d’un pulsar à rotation lente dont l’existence remet en question les théories actuelles décrivant de tels objets. Le nombre et la complexité des radios galaxies découvertes par LOFAR sont tels qu’un projet de science participative a été mis en place ».

Dans l’animation ci-dessous, chaque point correspond à l’emplacement d’un objet extrêmement énergétique dans notre Univers. « Cela inclut les trous noirs, les galaxies avec des explosions de formation d’étoiles et les événements de fusion explosifs entre certains des plus grands groupes de galaxies de l’Univers. L’animation montre la vue la plus détaillée jamais vue de notre univers radio telle que révélée par LOFAR ».

Ce n’est que le début

L’astronome Timothy Shimwell (Université de Leiden aux Pays-Bas) ne cache pas sa joie : « Chaque fois que nous synthétisons une carte, nos écrans nous dévoilent des objets qui n’ont jamais été vus auparavant par des yeux humains. Explorer ces phénomènes inconnus qui brillent dans l’univers radio énergétique est une expérience incroyable et notre équipe est ravie de pouvoir partager cette carte avec le grand public ».

Actuellement, la carte « ne représente que 27 % de l’image finale mais nous prévoyons qu’elle conduira encore à de nombreuses autres percées scientifiques, notamment en étudiant le développement des plus grandes structures de l’Univers, les trous noirs supermassifs, la physique régissant la formation des étoiles dans les galaxies lointaines ».