Sur cette image en fausses couleurs (la rouge correspond à l'infrarouge et les autres au visible), on voit la source infrarouge IRAS 16399-0937 observée par Hubble. Il s'agit de deux galaxies en cours de fusion après une collision. Elles sont le siège d'un mégamaser. © ESA, Hubble & Nasa, Judy Schmidt
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Le plus lointain « mégalaser » cosmique a été découvert par MeerKAT

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[EN VIDÉO] Les mystères du laser éclaircis  Cette vidéo de la superbe série Tous quantiques visualise les principes du laser, ce faisceau de lumière où les photons sont tous sur la même fréquence et en phase. Einstein l'avait prédit. D'autres l'ont réalisé, beaucoup plus tard, et cette lumière cohérente est aujourd'hui omniprésente dans nos sociétés. 

L'effet laser et plus exactement maser ne se produit pas que dans des petits dispositifs sur Terre, on le rencontre aussi dans certaines régions des galaxies et aussi à l'échelle d'une galaxie entière. On parle alors de mégalaser et le plus lointain connu à ce jour vient d'être détecté par un réseau de radiotélescopes en Afrique du Sud.

Une équipe internationale de radioastronomes menée par un chercheur de la Curtin University en Australie a déposé un article sur Arxiv dans laquelle elle annonce avoir identifié le plus lointain laser cosmique connu, un mégamaser probablement produit par une collision de galaxies. Les photons masers produits ont voyagé pendant environ 5 milliards d'années pour rejoindre les antennes du réseau de radiotélescopes nommé MeerKAT et situé en Afrique du Sud.

Insistons sur le fait que la source subit bel et bien, à strictement parler, un effet maser et pas laser. Dans les deux cas cependant, il s'agit des conséquences du même effet physique prédit en 1917 par Albert Einstein lorsqu'il a réussi à déduire la loi du corps noir découverte par Max Planck en 1900 et qui a été à l'origine de la révolution quantique, à partir du modèle de l'atome de Bohr. Einstein avait alors été conduit à postuler qu'en plus du processus d'excitation d'un atome par la lumière lui faisant absorber un photon, ce qui faisait sauter un électron sur un niveau d'énergie supérieur dans l'atome de Bohr, la lumière pouvait conduire à provoquer l'effet inverse, à savoir une transition vers un état inférieur entre les états d'énergie discrets de l'atome de Bohr. On parle donc à propos de cet effet d'émission stimulée, et c'est le principe du laser.

Qu’est-ce qu’un laser ? Comment peut-on en fabriquer un ? Qui a créé le premier laser ? Y a-t-il différents types de laser ? Julien Totems, ingénieur de recherche Lidar au Laboratoire des sciences du climat et de l’environnement au CEA, répond à toutes ces questions et explique les applications possibles du laser dans le domaine de l'environnement. Cette vidéo est extraite du jeu vidéo Le Prisonnier quantique. © CEA Recherche

Toutefois, cet effet n'a été vraiment mis en pratique par les physiciens qu'en 1953, lorsque Charles H. Townes réalisa le premier amplificateur à micro-ondes, un dispositif fonctionnant sur des principes similaires à celui du laser, mais basé sur les micro-ondes plutôt que l'infrarouge ou le rayonnement visible. Ce premier maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, soit amplification de micro-ondes par émission stimulée de rayonnement) ne fonctionnait pas en continu. Ce sont les physiciens russes Nikolay Basov et Aleksandr Prokhorov qui résoudront ce problème peu de temps après, obtenant le prix Nobel avec Townes en 1964.

Un maser mille fois plus brillant que le Soleil

Ce n'est que suite à la réalisation du premier maser que devait s'ouvrir la voie conduisant à celle du premier laser, acronyme de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (en français, amplification de la lumière par émission stimulée de radiation), fonctionnant donc dans le domaine de la lumière visible. La performance fut l'œuvre en 1960 du physicien Theodor Maiman.

L'effet maser peut se produire à l'échelle galactique et on parle alors de mégamaser. Mais, à plus petite échelle on parle de masers astrophysiques. On connaît plusieurs exemples de région dans la Voie lactée qui sont les lieux d'un effet maser, mais avec les mégamasers, il est question d'un phénomène 100 millions de fois plus brillant, avec une luminosité totale de l'ordre de 1.000 fois celle du Soleil.

Les chercheurs ont découvert des masers astrophysiques depuis 1965, d'abord associés à des molécules hydroxylées (OH), puis à des molécules d'eau et de monoxyde de silicium. Ils se situaient dans la Voie lactée mais en 1973, les astronomes en ont découvert un dans NGC 253 et finalement le premier mégamaser dans la galaxie Arp 220. Plus de 200 mégamasers sont connus à ce jour.

Vue d'artiste d'un maser hydroxyle. À l'intérieur d'une fusion de galaxies se trouvent des molécules d'hydroxyle (OH), composées d'un atome d'hydrogène et d'un atome d'oxygène. Lorsqu'une molécule absorbe un photon à une longueur d'onde de 18 cm, elle émet deux photons de même longueur d'onde. Lorsque le gaz moléculaire est très dense, généralement lorsque deux galaxies fusionnent, cette émission devient très brillante et peut être détectée par des radiotélescopes tels que le MeerKAT. © IDIA/LADUMA utilisant les données de NASA/StSci/SKAO/MolView

Le principe est le même que dans le milieu matériel où se produit l'amplification de radiation. Une population d'atomes ou de molécules est excitée sur un niveau d'énergie supérieur à celui de son état fondamental, par exemple lors d'une collision galactique qui va chauffer le gaz dans les galaxies. Le retour à l'état fondamental spontanément d'une partie de cette population va alors produire une onde qui va stimuler en avalanche l'émission des autres systèmes quantiques.

Le mégamaser observé par MeerKAT, en Afrique du Sud, est produit par des radicaux hydroxyl OH. C'est le premier du genre découvert par cet instrument en plus d'être le plus lointain connu à ce jour. Les astrophysiciens l'ont baptisé « Nkalakatha » [prononcé ng-kuh-la-kuh-tah] - un mot en langue isiZulu signifiant « grand patron ». MeerKAT étudie aussi sa galaxie source avec la raie à 21 cm de l'hydrogène atomique et en combinant ces deux signaux, les astrophysiciens vont en apprendre plus sur la galaxie qui héberge ce mégamaser et, in fine, l'évolution des galaxies dans le cosmos observable.

Le réseau de radiotélescopes MeerKAT, en Afrique du Sud, permet aussi de poursuivre la détection des émissions radio d’une civilisation extraterrestre dans le cadre du programme Seti. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © BerkeleySETI

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