La raie à 21 cm est une raie spectrale émise par l’atome d’hydrogène neutre dans le domaine radio. Elle est devenue célèbre par son utilisation par le programme Seti. Très importante aussi en astrophysique, elle va le devenir pour la cosmologie. Petit rappel de cette clé de l'univers.

Article publié le 28/01/2011

On peut faire remonter la naissance de la radioastronomie à l'annonce faite en 1933 par Karl Jansky qu'il existait un rayonnement radioradio en provenance de la Voie lactéeVoie lactée. Comme il n'avait rien détecté de semblable en provenance du SoleilSoleil, Jansky en avait aussi déduit que ce rayonnement radio devait provenir des nuagesnuages de gazgaz et de poussières interstellairespoussières interstellaires dans la GalaxieGalaxie. Stimulée par l'invention du radar, la radioastronomie ne se développera cependant vraiment qu'après la seconde guerre mondiale.

Une fenêtrefenêtre d'observation dans le domaine des ondes radio particulièrement importante fit son apparition à la suite des réflexions du grand astronomeastronome néerlandais Jan Oort. Celui-ci avait conjecturé qu'une raie spectraleraie spectrale dans le domaine radio serait un outil important pour la découverte de la structure de notre galaxie.

En effet, Oort avait passé plusieurs années à étudier la rotation et la structure de la Galaxie en utilisant des moyens optiques. Ses travaux étaient rendus particulièrement difficiles à cause des nuages de poussières s'étendant dans le plan galactique, bloquant la lumièrelumière visible. On ne peut ainsi voir qu'à travers quelques milliers d'années-lumièreannées-lumière seulement en direction du centre galactique car la lumière des étoilesétoiles lointaines est absorbée par ces nuages.

L'astrophysicien Jan Oort. © Jan Oort

L'astrophysicien Jan Oort. © Jan Oort

Une transition quantique dans l'atome d'hydrogène

Mais les ondes radio, elles, peuvent traverser les nuages de poussières. Si l'on disposait d'une raie dans le domaine radio, on pourrait alors faire des mesures de vitessesvitesses du gaz, émettant cette raie, par effet Dopplereffet Doppler et peut-être ensuite étudier la rotation différentielle des distributions de nuages dans la Voie lactée.

Puisque l'hydrogènehydrogène est l'élément le plus abondant dans l'universunivers, Oort demanda à son élève, H.-C. Van de Hulst, de trouver une telle raie spectrale en rapport avec l'hydrogène. Ce dernier en découvrit effectivement une... par le calcul, au niveau de ce qu'on appelle la structure spectrale hyperfine de l'atomeatome d'hydrogène neutre.

Image du site Futura Sciences
Tous les 10 millions d'années en moyenne, le spin d'un électron bascule relativement à celui du proton dans un atome d'hydrogène et un photon de longueur d'onde de 21 cm est émis. © Pearson Prentice Hall, Inc

L'atome d'hydrogène possède en effet des niveaux d'énergiesénergies fins résultant de l'interaction magnétique du spinspin de son électronélectron avec celui de son protonproton. Selon que ces deux spins sont parallèles ou antiparallèles, le niveau d'énergie de l'électron n'est pas le même et une transition avec émissionémission d'un photonphoton d'une longueur d'ondelongueur d'onde de 21 cm est possible. Cette transition est très improbable mais comme les nuages d'hydrogène neutre possèdent une quantité littéralement astronomique d'atomes, un rayonnement est bel est bien constamment émis et son intensité n'est pas négligeable.

La raie de 21 cm fut finalement découverte par Harold Ewen et le prix Nobel de physiquephysique Edward Purcell en mars 1951. Oort put enfin s'atteler à la tâche de cartographier les nuages de gaz dans la Voie lactée et démontra avec eux que cette dernière avait une structure spirale.

C'est aussi au début des années 1950 que Oort proposa l'hypothèse de l'existence d'un immense réservoir de comètescomètes à longues périodes connu aujourd'hui sous le nom de nuage d’Oort.

Le prix Nobel de physique Edward Purcell. © Fondation Nobel

Le prix Nobel de physique Edward Purcell. © Fondation Nobel

La raie à 21 cm comme clé de l'astrophysique

À partir des années 1960, l'emploi de la raie HI (désignant l'hydrogène neutre) à 21 cm connut une belle carrière en astrophysiqueastrophysique, qui ne se dément pas aujourd'hui. Des radiotélescopesradiotélescopes comme le Very Large Array (VLA) s'en servent par exemple pour cartographier les nuages d'hydrogènes neutres dans les galaxies et même les interactions entre les galaxies. 

Le groupe de galaxies de M81 vu dans le visible à gauche. Le même groupe observé à la longueur d'onde de la raie 21 cm. On voit clairement des courants d'hydrogène, ce qui démontre que ces galaxies sont en interaction. © NRAO/AUI

Le groupe de galaxies de M81 vu dans le visible à gauche. Le même groupe observé à la longueur d'onde de la raie 21 cm. On voit clairement des courants d'hydrogène, ce qui démontre que ces galaxies sont en interaction. © NRAO/AUI
Des galaxies observées à différentes longueurs d'onde. En bleu, la raie à 21 cm observée avec le VLA et en violet les émissions en ultraviolet des zones de formation d'étoiles observées par Galex. En orange, ce sont les observations en infrarouge de vielles étoiles par Spitzer. © NRAO/AUI

Des galaxies observées à différentes longueurs d'onde. En bleu, la raie à 21 cm observée avec le VLA et en violet les émissions en ultraviolet des zones de formation d'étoiles observées par Galex. En orange, ce sont les observations en infrarouge de vielles étoiles par Spitzer. © NRAO/AUI
La galaxie NGC 2403 observée par le VLA, Spitzer et Galex. En bas les vitesses de rotation des nuages d'hydrogène de NGC 2403 déduites de l'effet Doppler mesuré pour la raie à 21 cm. © NRAO/AUI

La galaxie NGC 2403 observée par le VLA, Spitzer et Galex. En bas les vitesses de rotation des nuages d'hydrogène de NGC 2403 déduites de l'effet Doppler mesuré pour la raie à 21 cm. © NRAO/AUI

La raie à 21 cm comme clé de la cosmologie

Un second souffle à la carrière de la raie à 21 cm devrait être donné tout prochainement par la cosmologiecosmologie. Pour comprendre en quoi la raie HI va se révéler importante pour la cosmologie du futur il faut considérer la période de l'univers s'étendant de la recombinaisonrecombinaison à la réionisationréionisation.

Lorsque la température de l'univers a chuté en dessous de 3.000 kelvinskelvins, assez rapidement mais pas instantanément vers 380.000 ans après la naissance de l'univers observable, celui-ci s'est retrouvé dans un état où la formation massive d'atomes d'hydrogène et d'héliumhélium était devenue possible.

Comme il n'y avait pas encore d'étoiles, l'univers est passé de la brillance de la surface solaire à celle d'un ciel noir, c'est ainsi qu'ont commencé ce qu'on appelle les Âges sombresÂges sombres de l'univers, qui n'ont vraiment pris fin que quelques centaines de millions d'années plus tard avec la Renaissance cosmique.

Très rapidement cependant, des étoiles ont dû commencer à se former au bout de 100 millions d'années, et le rayonnement UV intense produit a fini par réioniser une grande partie de l'hydrogène atomique HI du cosmos. Cette réionisation pourrait aussi avoir eu lieu en raison du rayonnement émis par de la matièrematière s'accrétant autour des premiers trous noirs, ancêtres des noyaux actifs de galaxiesnoyaux actifs de galaxies, les quasarsquasars. À l'heure actuelle, on pense que les deux processus auraient pu opérer mais l'on ne sait pas lequel était dominant.

Ce qui s'est passé pendant les Âges sombres est, sans jeu de mots, particulièrement obscur puisque les premières étoiles se sont formées précisément à cette époque avec les premières galaxies. Toutefois, il devait bel et bien y avoir un rayonnement à 21 cm à cette époque. Les modifications de la répartition des distributions des nuages d'hydrogène neutre (pendant que la réionisation se produisait et que ces mêmes nuages s'effondraient pour former étoiles et galaxies) ont dû laisser des empreintes dans le rayonnement radio autour de cette longueur d'onde.

L'expansion de l'univers a décalé vers des longueurs d'onde encore plus longues les émissions de cette époque. Le signal doit être faible et très bruité mais il doit être possible d'observer ainsi ce qui s'est passé pendant la réionisation grâce au  LOw Frequency ARray radio telescope (LOFAR) en constructionconstruction.

Un schéma montrant les différentes époques de l'univers observable à différents décalages spectraux mesurés par la valeur de z. L'ère de la réionisation (ERO) s'est produite environ 400 millions d'années après le début de l'univers observable. © V. Jelic
 
Un schéma montrant les différentes époques de l'univers observable à différents décalages spectraux mesurés par la valeur de z. L'ère de la réionisation (ERO) s'est produite environ 400 millions d'années après le début de l'univers observable. © V. Jelic

Par habitude, les astrophysiciens parlent d'un décalage spectral vers le rouge fonction d'une quantité z donnée. Plus celle-ci est importante, plus les observations montrent une région lointaine de l'univers dans un passé plus reculé. Selon eux, la raie de l'hydrogène devrait constituer un moyen inégalé pour observer ce qui s'est produit dans le passé du cosmos pour une valeur de z comprise entre 3,5 et 12.

Grâce à elle, il devrait être possible de savoir si ce sont les premières étoiles ou les premiers quasars qui ont réionisé majoritairement l'univers. Mais on devrait également pouvoir remonter à de possibles variations de la valeur de l'énergie noire à travers l'influence de celle-ci sur la dynamique des nuages d'hydrogène neutre pendant cette période ancienne de l'histoire de l'univers, s'étendant d'un peu avant la fin des Âges sombres à quelque temps après la Renaissance cosmique.

La raie à 21 cm comme clé de la communication avec des E.T

La plaque équipant les sondes Pioneer montre un homme et une femme à l'échelle de la sonde, la position du Soleil par rapport à quatorze pulsars et au centre de la Galaxie. Pour cela, une représentation de la transition hyperfine de l'atome d'hydrogène est montrée en haut à gauche. Elle donne donc une longueur d'onde de 21 cm qui peut servir d'unité de mesure. Ainsi, la hauteur de la femme à droite est donnée en binaire comme étant huit fois la longueur d'onde de la raie de l'hydrogène précédente. Les pulsars sont identifiables par leur fréquence de rotation en binaire exprimée comme un multiple entier de celle de la raie à 21 cm. En bas, le Système solaire et la planète d'origine de la sonde sont montrés avec les distances relatives des planètes, aussi en numérotation binaire. © Nasa

La plaque équipant les sondes Pioneer montre un homme et une femme à l'échelle de la sonde, la position du Soleil par rapport à quatorze pulsars et au centre de la Galaxie. Pour cela, une représentation de la transition hyperfine de l'atome d'hydrogène est montrée en haut à gauche. Elle donne donc une longueur d'onde de 21 cm qui peut servir d'unité de mesure. Ainsi, la hauteur de la femme à droite est donnée en binaire comme étant huit fois la longueur d'onde de la raie de l'hydrogène précédente. Les pulsars sont identifiables par leur fréquence de rotation en binaire exprimée comme un multiple entier de celle de la raie à 21 cm. En bas, le Système solaire et la planète d'origine de la sonde sont montrés avec les distances relatives des planètes, aussi en numérotation binaire. © Nasa

Comme on l'a dit plus haut, l'hydrogène est l'élément le plus abondant dans l'univers. La poussière interstellaire étant de plus transparente au rayonnement radio proche de la raie à 21 cm, on peut penser que des communications entre civilisations à travers la Voie lactée au moyen d'ondes radio doivent naturellement se faire à ces longueurs d'onde.

C'est ainsi qu'en 1959, le physicienphysicien italien Giuseppe Cocconi et le physicien américain Philip Morrison ont publié dans Nature un article intitulé : « Searching for Interstellar Communications », exposant tout le potentiel d'une bande de fréquencefréquence associée à la raie à 21 cm de l'hydrogène pour la recherche de communications interstellaires. Depuis, la raie à 21 cm est devenue importante pour le programme Seti de diverses façons, comme le montre l'exemple de la plaque de Pioneer.

La distribution de nuages d'hydrogène dans des galaxies proches de la Voie lactée observée avec le VLA. © RAO/AUI et Fabian Walter, <em>Max Planck Institute for Astronomy</em>

La distribution de nuages d'hydrogène dans des galaxies proches de la Voie lactée observée avec le VLA. © RAO/AUI et Fabian Walter, Max Planck Institute for Astronomy