Une équipe internationale de radioastronomes menée par un chercheur de l'Université de Pretoria en Afrique du Sud vient de faire savoir via notamment un communiqué du South African Radio Astronomy Observatory (Sarao) qu'elle avait identifié le plus lointain maser cosmique connu. Il est même tellement brillant qu'on peut aussi parler d'un gigamaser selon ce communiqué. La découverte a été faite en utilisant les 64 antennes du réseau de radiotélescopes nommé MeerKAT, situé dans le désert du Karoo et plus précisément dans le parc national Meerkat du Cap-Nord, en Afrique du Sud.

C'est la deuxième fois que MeerKAT bat un record de distance pour la détection d'un mégamaser produit par des radicaux hydroxyl OH (on va y revenir un peu plus loin).

Comme on peut le constater en lisant l'article publié à ce sujet dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters et dont une version se trouve en accès libre sur arXiv, c'est grâce à une lentille gravitationnelle - donnant même un anneau d'Einstein (voir la vidéo ci-dessous) - que la source radio a été détectée. On l'observe telle qu'elle était il y a 8 milliards d'années, en relation avec une collision de galaxies déjà étudiée il y a plus d'une décennie avec le Vaste réseau d'antennes (sub-)millimétrique de l'Atacama (Alma), au Chili, ainsi que de nombreux autres télescopes au sol et dans l'espace.

Dans le vide, la lumière se déplace habituellement en ligne droite. Mais dans un espace déformé par un corps céleste massif, comme une galaxie, cette trajectoire est déviée ! Ainsi, une source lumineuse située en arrière d’une galaxie a une position apparente différente de sa position réelle : c’est le phénomène de mirage gravitationnel. Cette vidéo est originaire du webdocumentaire « L’Odyssée de la Lumière » et a été intégrée au webdocumentaire « Embarquez avec la Matière Noire ». © CEA, Animea

La collision en question porte la désignation H-Atlas J142935.3-002836 (ou, pour écourter, H1429-0028) au sein du catalogue H-Atlas, constitué à partir du vaste sondage astrophysique mené par le satellite Herschel dans la bande de fréquence des térahertz.

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Elle émerveille Thato Manamela, chercheur postdoctoral financé par le Sarao à l'Université de Pretoria et auteur principal de cette nouvelle étude. Dans le communiqué, il déclare : « Ce système est véritablement extraordinaire. Nous observons l'équivalent radio d'un laser traversant la moitié de l'Univers. De plus, lors de son voyage vers la Terre, les ondes radio sont amplifiées par une galaxie d'avant-plan parfaitement alignée, mais sans lien apparent avec celle-ci. Cette galaxie agit comme une lentille, à la manière d'une goutte d'eau sur une vitre, car sa masse courbe l'espace-temps local. Ainsi, un véritable laser radio traverse un télescope cosmique avant d'être détecté par le puissant radiotélescope MeerKAT - autant d'éléments qui rendent possible une découverte fortuite et merveilleuse. »

Illustration d'une galaxie lointaine située à 8 milliards d'années-lumière (en rouge), agrandie par une galaxie spirale au premier plan, ce qui crée un anneau rouge. La décomposition du rayonnement radio en différentes couleurs, comme le fait un prisme, révèle le gigamaser hydroxyle (ligne multicolore en haut à droite). ©  Institut interuniversitaire d'astronomie à haute résolution (IDIA)

Des émissions stimulées de rayonnements

Mais c'est quoi en fait cette histoire de mégamaser/gigamaser cosmique et pourquoi on parle d'ailleurs de mégamaser et pas de gigalaser comme dans le titre initial de cet article ?

Alors déjà c'est entendu, c'est comme on l'a dit un maser tellement puissant qu'on est dans la classe mille fois supérieure à un mégamaser, donc un gigamaser.

Pour le reste, reprenons les explications que Futura avait déjà données pour rendre compte du précédent record de détection pour un maser cosmique avec des molécules, des radicaux OH dans l'espace.

Insistons donc sur le fait que la source associée à H1429-0028 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.

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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 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 ». © Berkeley, Seti