Fiche 1 : la raie à 21 cm de l’hydrogène HI

Le projet Radio-Stella

  • Débuter en radioastronomie.
  • Faire participer plusieurs membres du radio-club F5KEE1 selon leurs compétences : construction d’antennes, montages électroniques, traitement du signal, informatique.
  • Apprendre quelques notions d’astronomie avec l’aide d’une association dont c’est l’objet : Les amis de Camille Flammarion2.
  • Donner aux membres de cette association quelques notions de radioélectricité.

La radioastronomie

Petit Larousse : « Branche de l’astronomie qui a pour objet l’étude des sources célestes de rayonnement radioélectrique ».

Autrement dit, il existe dans l’Univers des « objets » qui émettent des « ondes radio ».

Les ondes radio

Longueurs d’onde ? supérieures ou égales à 1 mm.
Fréquences F inférieures ou égales à 300 GHz (300 000 MHz).

Rappel :
? = c / F
F = c / ?
« c » étant la vitesse de la lumière, soit environ 300 000 km/s.

Qu’allons-nous recevoir ?

La raie à 21 cm de l’hydrogène HI, matière très abondante dans l’espace et en particulier dans notre Galaxie. En étudiant la présence et le comportement de cette raie, nous pourrons révéler quelques aspects de la Voie lactée et en détailler la géométrie.

Sa fréquence F : 1420,40575 MHz.

Sa longueur d’onde ? : 21 cm, environ.

Cette fréquence est donc très proche de la bande radioamateur 1240 – 1300 MHz, bande des 23 cm. Voyez d’ailleurs ce qu’a réalisé Jean-Jacques Maintoux, F1EHN : Observation de notre Galaxie à 21 cm3. Mais nous n’en sommes pas encore là !

Notion de spin

Avant de donner l’origine de la raie à 21 cm de l’hydrogène HI, il nous faut d’abord connaître ce qu’est le spin d’une particule.

La définition exacte de ce spin nécessite l’utilisation du formalisme mathématique de la physique quantique, nous allons donc plutôt procéder par images.

Tout se passe comme si la particule était animée d’un mouvement de rotation sur elle-même, cette rotation s’effectuant dans un sens ou dans l’autre. Le spin est un nombre qui est attaché à cette rotation.

C’est une propriété intrinsèque d’une particule, comme sa masse ou sa charge.

Synchrotron Soleil a mis en ligne une vidéo Petit manège (le spin des électrons)4 dont les six premières minutes illustrent bien le propos.

La raie à 21 cm de l’hydrogène HI

En passant du niveau supérieur « spins parallèles » au niveau inférieur « spins anti-parallèles », un atome d’hydrogène émet un photon dont la fréquence est égale à 1420,40575 MHz.

C’est ce changement de spin qui est à l’origine de la raie à 21 cm de l’hydrogène HI :
Transition HI

La découverte de la raie HI… et son avenir !

Il est toujours intéressant de connaître l’histoire d’une découverte et d’en présenter les futurs développements (cosmologie et nouveaux télescopes « basse fréquence ») :
La raie à 21 cm : une clé pour l’astrophysique, la cosmologie et Seti5.

Références

  1. http://www.f5kee.fr/
  2. http://www.astrosurf.com/amis2camille/
  3. http://f1ehn.pagesperso-orange.fr/pages_radioastro/Images_Docs/Radioastro_21cm_2012b.pdf
  4. https://www.youtube.com/watch?v=tcpBwgN5hlE
  5. http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/physique-raie-21-cm-cle-astrophysique-cosmologie-seti-27588/

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