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La galaxie invisible

par | Nov 15, 2017 | Radio astronomie, Spectroscopie | 0 commentaires

 

De décembre 2014 à Avril 2015, j’ai mené une série d’observations au moyen du radio telescope Wurzburg  dans la longueur d’onde de l’hydrogène atomique à 21 cm.
Les objectifs de cette campagne personnelle d’observations étaient multiples : 
– Mettre en évidence la structure spirale de notre galaxie la voie lactée .
– Humblement expérimenter à mon niveau amateur les outils d’observatoires professionnels.
– Faire de la « science », en abordant différents aspects : Observation et collecte de données,  réduction des donneés, interprétation  des résultats.
Je présente ici quels sont les principes observationnels, l’instrument utilisé, la méthode de réduction des données et les résultats obtenus.
Cette observation a fait l’objet d’une publication dans l’Astronomie , N°96 en Juillet 2016.

RADIOASTRONOMIE_96_ASTRONOMIE 96

La raie de l’hydrogène à 21 cm.
Le soleil et la terre évoluent dans notre galaxie, la voie lactée, mais déterminer sa structure depuis notre position  est particulièrement difficile.
Par ailleurs, dans les longueurs d’onde du visible, l’absorption interstellaire causée par les poussières et les gaz nous masque une grande partie de celle-ci.
La voie lactée telle que l’on peut l’observer en lumière visible n’est qu’une toute petite partie de l’ensemble de la galaxie ou évolue notre soleil.
Dés lors se pose le problème de déterminer la taille et la forme de notre propre galaxie,  puisque une grande part de celle ci nous est invisible.
En 1944, H.C Van de Hulst, astronome néerlandais élève de Jan Oort, prédit l’existence d’une raie spectrale en émission à 21 cm de longueur d’onde (fréquence 1420,4 Mhz) générée par le changement de spin de l’électron de l’atome d’hydrogène neutre. (voir à ce sujet ce documentaire :  Spiral Galaxy, the Milky Way unravelled)
A cette longueur d’onde, le signal radio n’est pas absorbée par le milieu interstellaire et peut traverser l’ensemble de la galaxie jusqu’à nous.
Avec les premiers développements de la radio astronomie, cette raie en émission a été observée pour la première fois en 1951 par E.Purcell et H.Ewen.
Elle permet d’esquisser une forme et la taille pour notre galaxie,   Voyons comment.
Le radio Télescope Wurzburg.
En 2007, l’observatoire de Bordeaux (Lab/OASU Floirac) a entrepris la rénovation d’un radio télescope de type Wurzburg et mis gracieusement celui-ci à disposition du public via une interface web permettant de piloter l’instrument et de recueillir les données.
Ce service s’inscrit dans le programme éducatif « Hands On Universe », projet éducatif international utilisant un réseau de télescopes pilotés par internet et permettant aux plus jeunes, aux enseignants et aux amateurs de découvrir l’astronomie.
Le « Wurzburg » est un ancien radar de l’armée allemande. L’antenne offre une surface collectrice parabolique de 7,5 m, un cornet au point focal reçoit le signal et bien sur tout un système informatique numérise les données, et permet le pilotage du télescope.
Principe observationnel.
La voie lactée se présente comme un disque aplati avec un bulbe central. Il n’était donc pas question pour moi de vérifier la structure globale de notre galaxie, cela représentait un travail bien trop important en terme d’acquisition et de traitement des données. Je me limitais donc à observer le plan galactique , en coupe en quelquesorte, dans le but de projeter celui ci sous forme de carte.
Si l’on se représente la voie lactée en vue « polaire », celle ci forme un plan que l’on divise en un repère de coordonnées centré sur le soleil, de 0, à 360 ° .
Ce repère est dénommé la longitude galactique (lettre l).
La voie lactée vue par la tranche permet d’établir une « latitude » galactique ou le plan galatique est établi aux coordonnées 0.
Cette latitude est désignée par la lettre b.
Ce référentiel  de longitude , latitude centré sur le soleil permet d’identifier n’importe quel point du ciel par les deux coordonnées galactiques.
Les observations réalisées ont donc toutes été faites dans le plan galactique (latitude 0) pour chaque longitude observable (ici de 0 à 240 °). Les autres longitudes (de 241 à 359°) étant masquées par la terre sous nos latitudes.
Pour compléter  les observations de l’ensemble de la voie lactée, il me faudra trouver  une antenne dans l’hémisphère sud. 😉
Les observations ont été réalisées entre Décembre 2014 et Avril 2015.
Les outils d’observation.
L’interface de pilotage par internet de l’antenne permet de choisir un point du ciel à observer.
Pour ce projet j’ai choisi de réaliser des observations de 300 secondes pour chaque longitude galactique observable depuis la position géographique du télescope. Soit 241 observations de 300 secondes.
L’interface permet de pointer une zone du ciel par ses coordonnées équatoriales ou galactiques. Ce sont ces dernières qui sont utilisées pour ces observations.
Par exemple le centre galactique est aux coordonnées galactiques l= 0 (longitude), b = 0 (latitude)
Le traitement des données.
Les données acquises sont récupérables via l’interface web et présentées dans un format lisible par le logiciel CLASS (Continuum and Line Analysis Single-dish Software) de l’IRAM (Institut de Radioastronomie millimétrique).
Chacune des observations est traitée sous Class, et exportée sous forme de fichier texte contenant vitesse radiale et intensité du signal pour une coordonnée galactique donnée.
Un export graphique au format eps est également réalisé.
Chaque fichier est analysé sous Rspec (logiciel de traitement de spectroscopie amateur) pour éliminer facilement les signaux parasites en comparaison de la base de données de référence HI Survey (https://www.astro.uni-bonn.de/hisurvey/profile/  Argelander-Institut für Astronomie).
A ce stade si les données sont manifestement non concordantes avec les données de référence ou entachées de signaux parasites, une nouvelle acquisition est réalisée. Une vingtaine d’enregistrements ont ainsi nécessité une nouvelle acquisition.
Chaque fichier est ensuite enrichi des coordonnées galactiques lui correspondant puis importé dans une base MySql au moyen de l’outil gratuit Toad for MySql. En effet, la manipulation d’un tel nombre d’enregistrements sous un tableur s’est trés vite avérée ingérable et a necessité l’usage d’une petite base de données.
La base  au final contient un peu plus de 90 000 enregistrements.
Exemple de données issues de CLASS :
Analyse des données.
Une fois les données consolidées dans une base, il est aisé de les manipuler en sql et d’écrire du code en PL/SQL pour réaliser les calculs souhaités ou encore de les présenter sous différentes formes au moyen de vues :
CREATE ALGORITHM=UNDEFINED DEFINER=`root`@`localhost` SQL SECURITY DEFINER VIEW `donneescorraw`
AS SELECT
`coordonnees`.`longitude` AS `longitude`,
`coordonnees`.`latitude` AS `latitude`,
`coordonnees`.`vitesse` AS `vitesse`,
substring_index(`R1`(`coordonnees`.`longitude`,(`coordonnees`.`vitesse` + `coordonnees`.`vlsr`)),’#’,1) AS `R`,
(substring_index((SELECT substring_index(`R1`(`coordonnees`.`longitude`,(`coordonnees`.`vitesse` + `coordonnees`.`vlsr`)),’#’,-(1))),’@’,1) * 100) AS `X`,
(substring_index(`R1`(`coordonnees`.`longitude`,(`coordonnees`.`vitesse` + `coordonnees`.`vlsr`)),’@’,-(1)) * 100) AS `Y`,
`coordonnees`.`intensite` AS `intensite`,`coordonnees`.`vlsr` AS `vlsr`
FROM `coordonnees` WHERE (substring_index(`R1`(`coordonnees`.`longitude`,`coordonnees`.`vitesse`),’#’,1) IS NOT NULL)
ORDER BY `coordonnees`.`longitude`,`coordonnees`.`vitesse`;
ou encore :
Set x = 0;
set y = 0;
set R = R0 * V0 *(SIN(L*PI/180))/(V0*SIN(L*PI/180)+VIT);
set TMP = power(R,2) – power(R0 * SIN(L*PI/180),2);
Case
When TMP < 0 Then
set var1 = 0;
Else
set RAD1 = -SQRT (TMP) + (R0 * cos(L*PI/180));
set RAD2 = SQRT (TMP) + (R0 * cos(L*PI/180));
Set var1 = RAD2;
If (RAD1 > 0 and RAD2 > 0) then
etc…
Tableau des vitesses radiales.
L’ensemble des données sont représentées dans un graphique avec en abscisse les coordonnées galactiques et en ordonnée les vitesses radiales. Une échelle de couleur permet de représenter l’intensité du signal des nuages d’hydrogène neutre.
Ceci permet en premier lieu de vérifier la bonne cohérence des mesures réalisées.
Le premier résultat montre clairement une discontinuité de la vitesse dans les différentes mesures selon la date ou les observations sont réalisées
J’ai supposé  ici que ces décalages de vitesses selon les dates et heures d’observation étaient causés par le déplacement du référentiel (système terre soleil ?) et devait alors être corrigé.
En effet les vitesses mesurées sont de l’ordre du km/s , le soleil et la terre bougent et affectent les vitesses selon la date de l’observation.
Chaque mesure de vitesse a donc été ajustée dans la base de données par l’addition d’une vitesse de correction ce qui graphiquement montre une meilleure continuité entre les vitesses mesurées selon les longitudes galactiques.

Courbe de rotation de la voie lactée.
La courbe de rotation d’une galaxie est un graphe représentant :
Sur l’axe des abscisses la distance au centre galactique en Kilo Parsec.
Sur l’axe des ordonnées la vitesse mesurée, ici celle des nuages de gaz d’hydrogène.
Pour chaque spectre observé on mesure le pic d’intensité ayant la vitesse maximale, par exemple :

 

On remarque ici 5 pics d’intensité du signal notés A,B,C,D, E .
Le Pic E correspond à la vitesse mesurée la plus rapide, on relève sous CLASS ou sous Rspec la vitesse exacte et celle ci est notée dans un simple tableau pour la longitude considérée.
Si l’on représente le disque galactique ainsi :
La flèche représente la ligne de visée.
Le nuage d’hydrogène observé ayant la plus grande vitesse est celui ayant la plus petite valeur de R.
R est ici la distance du point au centre galactique perpendiculaire à la ligne de visée.
R correspond au point tangent et peut donc être calculé par :
R = R0 x sin(l)
Ou l est l’angle formé par la direction de la ligne de visée par rapport à la direction du centre galactique. En d’autres termes la longitude galactique utilisée pour chaque mesure.
R0 est la distance entre le soleil et le centre galactique, celle-ci mesurée par d’autres observations vaut 8,5 Kpc (8500 parsecs).
Cette méthode dite du point tangent n’est valable que pour des valeurs de l comprises entre 0 et 90°. Car bien sur Sin(l) pour d’autres valeurs renvoie des valeurs négatives qui seraient incohérentes pour la mesure d’une distance.
Le point E sur le spectre correspond donc à cette distance minimale R au centre galactique.
La vitesse quand à elle est donnée par la formule :
V= Vr + V0xsin(l)
Vr est la vitesse radiale mesurée sur le spectre pour le point tangent (ici E).
V0 est la vitesse du soleil mesurée par d’autres moyens mais connue, soit 220 Km/s.
L est la longitude galactique.
Pour toutes les longitudes galactiques comprises entre 0 et 90° nous allons donc mesurer la vitesse radiale des points tangents et reporter ces données dans un tableau.
Le problème qui se pose rapidement est de détecter sur certains spectres les pics d’intensité pour une vitesse maximale. La résolution spectrale du radio télescope peut ainsi masquer certaines raies (blending.supperposition des raies fines) et il est parfois difficile de déterminer une raie en émission d’un possible signal parasite pour des intensités de signal faibles.
Malgré tout on arrive à tracer une courbe avec une large marge d’erreurs avec la distance R en abscisse et les vitesses en ordonnée :
On voit (courbe rouge) que la vitesse de rotation des nuages d’hydrogène augmente progressivement jusqu’à 3 ou 4 Kpc pour ensuite plafonner entre 200 et 230 Km/s.
La courbe de rotation attendue en se basant sur les lois de Kepler/Newton est ici représentée en mauve.
La vitesse du gaz devrait aller en décroissant avec l’augmentation de la distance au centre galactique, du moins selon les lois en vigueur de la gravitation.
Cette simple série d’observations montre  que la vitesse de rotation de la voie lactée reste constante à mesure que l’on s’éloigne du centre galactique.
De telles courbes de rotation réalisées pour de nombreuses galaxies spirales montrent toutes des courbes de rotation plates. Que l’on mesure les vitesses des étoiles ou du gaz.
L’explication en vigueur est que de la matière  « invisible », la matière noire, accélère la matière visible de telle sorte que la courbe de rotation reste plate.
La matière noire a été détectée ainsi, par la réalisation des courbes de rotation galactiques. Elle se niche sur ce graphe entre les deux courbes. On peut par ces mesures en calculer la masse. Il est également notable que la quantité de matière noire détectée s’ajuste avec une subtile proportion pour conserver à la matière ordinaire une courbe de rotation plate.
Représentation spatiale de la voie lactée.
Dernier exercice, et c’était là mon principal objectif, j’ai « déprojeté » les observations correspondant à autant de spectres sur un repère plan  pour dresser une carte de la voie lactée.
On utilise pour ce faire un repère orthonormé x, y avec pour origine le centre galactique aux coordonnées 0,0 sur des échelles de -20 000 à + 20 000 parsecs sur chaque axe.
L’intensité du signal est traduite en couleurs.
Les données dont nous disposons en tout point de chacun des 241 spectres sont :
La vitesse mesurée et corrigée : Vr
L’intensité du signal : I
La longitude observée : l
La latitude observée : b, qui dans le cadre de ces observations vaut toujours 0.
La distance du soleil au centre galactique R0 = 8,5 Kpc
La vitesse du soleil V0 = 220 Km/s
S = SOLEIL
C = Centre galactique
M = Point observé sur la ligne de visée (en vert)
r = distance soleil, point observé (S M)
Il nous faut calculer V, vitesse du point à représenter, R sa distance au centre galactique, et en déduire les coordonnées x,y dans notre repère.
R =[R0 x V0 x sin(l) ] / [ v0 x sin(l) + Vr ]
r = ± R² – ( R0xSin(l) )² +R0xcos(l)
r peut donc avoir 2 solutions, on exclue les solutions négatives qui n’ont pas de sens.
En revanche on peut avoir deux solutions positives auquel cas il est impossible de déterminer laquelle correspond à une réalité physique et celles-ci sont rejetées.
Les coordonnées sont alors :
X = r x cos(l – 90)
Y = r x sin(l- 90) + r0
Ceci est donc calculé pour les 90 000 mesures en conservant pour chacune l’intensité du signal mesurée , et l’on obtient une représentation de la distribution des nuages d’hydrogène dans la voie lactée.
Cette représentation polaire nous montre la structure spirale a grande échelle de notre galaxie, les échelles de distance sont  en K parsec .  Les couleurs indiquent l’intensité du signal recu.
Le soleil est à 8,5 Kpc du centre galactique.
Les zones sombres vers le centre galactique sont non représentées faute de solutions aux équations . 
Je rapelle que les longitude comprises entre 360° et 240 °  ne peuvent être observées depuis l’observatoire d’où ce vide dans la partie gauche de la carte.
En conclusion.
Cette série d’observations m’a permis de réaliser une vue polaire de notre voie lactée et de mettre en évidence sa structure spirale.
La courbe de rotation galactique, bien que difficile à réaliser est non Keplerienne, et permet de révéler la présence de matière noire indétectable autrement.
L’ensemble de ce travail m’a permis de faire un peu de science en amateur et de me confronter de façon trés concrête aux difficultés observationnelles et d’analyse des données :
– Réservation du temps d’observation.
– Observations de zones de la voie lactée contraintes selon la date et l’heure 
– Compréhension des phénomènes astrophysiques à l’oeuvre.
– Suivre une démarche scientifique aussi rigoureuse que possible. Tant dans les observations que dans l’archivage et le traitement des données.
– Avoir un oeil critique sur les données obtenues, les vérifier, les comparer, les évaluer et les comprendre,  refaire les observations incohérentes.
– Développer un minimum de code pour traiter les données et les mettre en forme.
Je peux donc en conclure que cette « expérience » est pour moi couronnée de succès et j’encourage vivement tout astram désireux de faire un peu de science à se lancer dans une telle aventure  !!
Remerciements :
L’équipe du Wurzburg .. qui a mis au point ce service et maintient le système en état !

F. Herpin  pour toute l’aide apportée et les patientes réponses  à mes (trop) nombreuses questions.

JJ Maintoux pour son remarquable travail sur l’observation radio de la voie lactée qui m’a largement inspiré !
Ressources en ligne   :
Site du radio telescope Wurzburg : http://serveurwurzburg.obs.u-bordeaux1.fr/

Logiciel  Class (IRAM) : http://www.iram.fr/IRAMFR/GILDAS/

Hands on Universe France : http://www.fr.euhou.net/  et Telescopes radios :

HI Survey profile database: https://www.astro.uni-bonn.de/hisurvey/profile/
Outils :
MySql : Base de données
Toad for Mysql : Outil de gestion base de données
Rspec : Outil de spectro amateur.
GNUPlot : représentation graphique de données
Pour en savoir plus :
Cours de F. Combes au collège de France   – Le problème de la matière noire :  galaxies spirales. : http://www.college-de-france.fr/site/francoise-combes/course-2014-2015.htm