La radioastronomie amateur

Francis DELAHAYEMembre et Lauréat de la Société Astronomique de France

De nos jours les moyens mis en œuvre grâce à l’avènement de l’électronique numérique permettent à l’astronome amateur de s’adonner pleinement à sa passion.La qualité et la fiabilité de certains travaux en astronomie effectués par les membres de la SAPO et les photos numériques prises souvent derrière des lunettes ou des télescopes amateur prouvent que l’accès à la science des astres est ouvert pour chacun d’entre nous.Cependant la radioastronomie rebute encore les astronomes amateurs alors qu’elle a contribué à l’essor de l’astronomie professionnelle.Je me propose donc, à travers cet article, de vous guider sur vos premiers pas de radioastronome.

Le spectre radioélectrique

Le spectre radioélectrique possède les mêmes caractéristiques ondulatoires et corpusculaires que la lumière. Ces deux bandes de fréquences sont comprises dans le spectre des ondes électromagnétiques.Si le spectre de la lumière est compris entre 400nm et 700nm de longueur d’onde, correspondant à l’astronomie optique, le spectre radioélectrique perçu par le radioastronome s’étend de quelques millimètres à quelques dizaines de mètres de longueur d’onde. Comme pour le domaine du visible, le spectre radio utilisé en astronomie est limité par les propriétés de l’atmosphère sur chaque extrémité. (1)

Vers la fin du 19ième siècle James Clerk Maxwell propose une formulation mathématique complète de l'électromagnétisme, sous la forme de quatre équations (2). Les équations de Maxwell prévoient que des interactions se propagent à une vitesse finie c (3.108 ms-1) sous forme d'une onde électromagnétique (3). Elles suggèrent, par certaines de leurs conséquences, le lien étroit existant entre le champ électrique E et le champ magnétique H. La nature ondulatoire des vibrations électromagnétiques fut confirmée expérimentalement par les travaux de Heinrich Hertz en 1887. Lorsque la lumière rayonne, il n'y a dans l'espace libre aucun mouvement de charges, seulement des champs électriques et magnétiques qui oscillent et se propagent. Ce sont eux qui transportent l'énergie électromagnétique en général, et l'énergie radioélectrique en particulier.

La radiodiffusion, les radiocommunications, les radars, et les radiotélescopes illustrent parfaitement les équations de Maxwell.En mode de propagation transverse électromagnétique (mode TEM), le champ électrique E est perpendiculaire au champ magnétique H et à la direction de propagation. La polarisation de l'onde électromagnétique se trouve dans le plan où varie le champ E. Ce qui explique l'orientation des antennes: polarisation horizontale, verticale ou circulaire.

Le spectre radioélectrique est divisé en plusieurs sous bandes:

N°

Sigle Dénomination Anglo-saxone

Dénomination française Bande de Fréquence Métrique

4 VLF Very Low Frequency Très Basses Fréquences 3 à 30 kHz Myriamétriques5 LF Low Frequency Basses Fréquences 30 à 300 kHz Kilométriques6 MF Medium Frequency Moyennes Fréquences 300 à 3000 kHz Hectométriques7 HF High Frequency Hautes Fréquences 3 MHz à 30 MHz Décamétriques8 VHF Very High Frequency Très Hautes Fréquences 30 MHz à 300 MHz Métriques9 UHF Ultra High Frequency Ultra Hautes Fréquences 300 MHz à 3000 MHz Décimétriques10 SHF Super High Frequency Super Hautes Fréquences 3 GHz à 30 GHz Centimétriques11 EHF ExtremelyHigh Frequency Extrêmes Hautes Fréquences 30 GHz à 300 GHZ Millimétriques

De par sa nature ondulatoire l'onde radioélectrique est caractérisée par sa fréquence et sa longueur d'onde.

La fréquence électromagnétique est définie par la fréquence f:

f = 1 / T f : la fréquence en Hertz (Hz) T: la période en seconde (s)

La longueur d'onde dans le milieu considéré est la distance parcourue par l'onde pendant la durée d'une vibration.

= c / f c: la célérité de l'onde ou vitesse (3.108 m/s) la longueur d'onde en mètre (m)

De par sa nature corpusculaire l'onde est associée à son énergie W :

W = h.f W: énergie en joule (J) h : constante de Planck (6,62 . 10 -34 Js)

Le spectre des fréquences radioélectriques n'a que récemment pris l'importance qu'on lui reconnaît aujourd'hui. Il y a encore peu de temps, la partie exploitable du spectre des radiofréquences était essentiellement consacrée à la radiodiffusion sonore, télévisuelle ou militaire. Depuis peu de temps, les progrès de la technologie ont donné naissance aux radiocommunications numériques (télévision par satellites, téléphones portables, applications industrielles, sécurité..) et le spectre radioélectrique est devenu vite encombré.La création de l'Agence Nationale des Fréquences (ANFR) répond au souci de disposer, en France, d'un organisme technique puissant capable de gérer et de planifier la ressource collective rare et limitée que constitue le spectre des fréquences radioélectriques. Elle est chargée d'organiser et d'effectuer le contrôle du spectre sur le territoire national. L'ANFR prépare et coordonne l'action de la représentation française dans les négociations internationales. Ainsi des bandes de fréquences sont protégées au niveau national et international pour l'écoute radioastronomique.

Voici quelques bandes de fréquences utilisées en radioastronomie (4) :

150 MHz à 153 MHz326 MHz à 328 MHz1400 MHz à 1427 MHz (raie H)10,6 GHz à 10,7 GHz…

Certains membres de la commission de radioastronomie de la SAF étant radioamateurs, ils utilisent les fréquences de certains de leurs récepteurs comme la bande 144 MHz ou la bande 432 MHz de leurs récepteurs. Ces bandes sont réservées pour les liaisons radioamateurs et sur lesquelles du matériel performant existe déjà. Je pense aussi à ceux qui effectuent des liaisons en se servant de la Lune comme réflecteur d'onde. Je me souviens d'une expérience de ce type qui nous a été présentée lors de notre première réunion de la commission domaine de liaison radioélectrique.

La bande FM est aussi utilisée pour observer les étoiles filantes. Un émetteur envoie une onde qui ne peut être captée par le récepteur situé beaucoup trop loin. La propagation des ondes sur cette bande se fait en onde directe qui nécessite la présence de relais pour couvrir un territoire. Lorsqu'une météorite arrive dans l'atmosphère, elle ionise l'air sur son passage. Cette ionisation réfléchit les ondes radioélectriques provenant d'émetteurs même lointains. Ainsi il nous est possible d'écouter des stations provenant d'Hongrie (Budapest sur 66,62 MHz) en France! Plus la vitesse et la masse des météores sont grandes, plus la réflexion sur les hautes fréquences est possible.

Les radiotélescopes

Comme pour le domaine du visible, le spectre radio utilisé en astronomie est limité par les propriétés de l’atmosphère sur chaque extrémité du spectre électromagnétique : d’une part, en bordure haute du millimétrique (quelques raies utilisées) du fait de la présence de la vapeur d’eau et de l’oxygène dans la basse atmosphère ; d’autre part, en bordure basse du décamétrique, selon « l’humeur » de l’ionosphère, couche de particules ionisées entourant la Terre et dépendant de l’activité solaire comme le prouvent les aurores boréales… Pour capter ces faibles signaux radioélectriques provenant de l’espace, il suffit de s’équiper d’un radiotélescope. Celui-ci est constitué principalement d’un système d’antennes, d’un système de réception et d’un système d’analyse.

Une antenne directionnelle pointée sur le ciel associé à un récepteur faible bruit constitue un radiotélescope.

Calibration du radiotélescope 151MHz devant mon observatoire à Paillet (33)

a) L’antenne

L’antenne correspond au miroir du télescope. C’est elle qui va collecter l’énergie de l’onde radioélectrique. Comme pour la qualité du miroir du télescope, l’antenne sera choisie ou construite avec beaucoup de soins tout en tenant compte de la fréquence adoptée par le radioastronome. Cette antenne assure la transition et l'adaptation de l'onde électromagnétique dans l'espace à la ligne de transmission vers les étages de réception. Elle favorise le rayonnement des ondes dans certaines directions et l'atténue dans d'autres afin que l'antenne se comporte comme un composant directif. On peut distinguer plusieurs types d'antennes utilisées par la radioastronomie :

- Les antennes filaires (dipôle demi onde, antenne cadre, antenne en hélice, antenne log périodique…)

- Les antennes réseaux (antenne Yagi, alignement de dipôles, antennes à fentes…)

- Les antennes à réflecteurs (antenne parabolique et cornet électromagnétique)

En VHF et UHF jusqu’à 1GHz, il est plus intéressant de travailler avec des antennes Yagi (type d’antenne utilisée pour la réception de la télévision hertzienne) en bande étroite ou des antennes log périodiques en bande large. Au-delà, il faut utiliser des antennes paraboliques (type d’antenne utilisée pour la réception de la télévision par satellites)L’antenne sera pointée dans la direction de la source émettrice afin d’en recevoir un maximum d’énergie. Elle peut donc être installée sur une monture équatoriale ou plus facilement sur une monture azimutale ; on peut aussi la commander par ordinateur afin de suivre les fluctuations d’une radiosource comme le Soleil.

Le pouvoir séparateur est le point faible de la radioastronomie. Il est lié à la dimension de l’instrument et à la longueur d’onde du rayonnement par la relation :

(radian)= 1,22 /D ( en m et D en m avec D : diamètre équivalent de l’antenne)

Un télescope de 100mm de diamètre a donc sur une longueur d’onde de 500nm un pouvoir séparateur de 1,25 seconde d’arc. Pour avoir le même pouvoir séparateur avec un radiotélescope sur une longueur d’onde de 1m (f =300MHz) il faudrait une antenne de 200kms de diamètre !

Pour améliorer le pouvoir séparateur, il suffit en radioastronomie d’utiliser :- de grandes antennes comme à l’observatoire de Nançay avec son

radiotélescope constitué d’un miroir plan de 200m x 40m servant de réflecteur et d’un miroir sphérique fixe de 300m x 35m concentrant les ondes sur des cornets électromagnétiques placés au foyer de l’instrument.

- ou des antennes montées sur un dispositif permettant d’associer plusieurs antennes en interférométrie comme le réseau de radiotélescopes de l’IRAM sur le Plateau de Bure associant 6 antennes de 15m de diamètre séparées au maximum de 760m.

Devant le radiotélescope de Nançay avec mon 150/750…

Dans ces conditions le radioastronome amateur ne pourra jamais rivaliser avec ces types d’antennes. Il devra s’initier en premier temps à l’observation de radiosources très étendues comme le Soleil avec une station de radioastronomie simple constituée d’antennes Yagi ou de petites paraboles.

b) Le récepteur

Il existe de nombreux récepteurs large bande sur le marché mais qui ne répondent pas forcément à notre demande de radioastronome. Tout d’abord les signaux de radiodiffusion sont modulés en amplitude ou en fréquence comme les signaux radio ou TV alors que le signal venant de l’espace correspond à un bruit radioélectrique non codé et de très faible amplitude. Pour ma part les principales caractéristiques à retenir sont les suivantes :

La sensibilité : faculté d’un récepteur à discerner le plus faible signal possible, donc de posséder un facteur de bruit le plus petit possible.La sélectivité: pouvoir qu’a un récepteur de ne traiter qu’un seul signal à la fois.La dynamique d’intermodulation : réponse linéaire du récepteur entre le plus petit signal et le plus grand signal utile reçu avant la distorsion d’intermodulation provoquant la non linéarité du récepteur.La stabilité : constante de gain en fonction du temps d’amplification reçu.

Synoptique d’un radiotélescope réalisé par mes élèves de l’ESTEI à Bordeaux (1999)

La puissance à l'entrée du radiotélescope est très faible et pour amener le signal à un niveau suffisant de détection, il faut un gain d'au moins 120 dB dans la chaîne de réception. Le récepteur produit une tension de bruit qui s'additionne à celle du

signal. La calibration du récepteur se fait en injectant à l'entrée un bruit de température connue. J'utilise une diode de bruit spécifiée en ENR (Excess Noise Ratio) et un analyseur de spectre. Les réalisations les plus simples et demandant moins de précautions se trouvent en HF. Au delà, les notions de courant et de tension perdent leurs noblesses. Plus les longueurs d'ondes vont diminuer et plus il va être difficile de réaliser des circuits électroniques. Sur les très hautes fréquences de type VHF, UHF et SHF les technologies utilisées deviennent moins à la portée de l'amateur. Les notions d'ondes progressives et d'ondes stationnaires, d'ondes incidentes et d'ondes réfléchies doivent être alors maîtrisées par le concepteur. Les appareils de mesure utilisés alors s'appellent analyseur de réseaux, analyseur de spectre, millivoltmètre, pont de réflexion…

Etalonnage en bruit des récepteurs des radiotélescopes avant l’éclipse totale de Soleil (1999)

En plus du récepteur, il faut un moyen d'enregistrer le signal que ce dernier a fourni. Le moyen le plus utilisé est aujourd’hui l’emploi de différents logiciels d’analyse spectrale comme « Spectrum ». Il faut s’assurer que le signal qui reste analogique en sortie du récepteur passe par un codeur numérique avant d’être traiter par l’informatique.

Conclusion

La radioastronomie n'est pas une affaire très simple pour les non professionnels entre la réalisation des radiotélescopes et l'observation plus difficile qu'en optique. Mais les radioastronomes amateurs sont avant tout des gens passionnés par la réception des signaux radioélectriques provenant de l'espace. Nous ne pourrons jamais atteindre les performances des radiotélescopes professionnels mais l'écoute du Soleil est déjà tout un symbole… Alors avec un peu d’enthousiasme et de patience, de la passion et des hommes, des projets de radioastronomie peuvent naître et être menés à bien.

Bibliographie (1) Articles « Initiation à la radioastronomie amateur par Francis Delahaye » l’Astronomie vol 109 1995 et «  Des radiotélescopes pour des

radioastronomes amateurs par Francis Delahaye » l’Astronomie vol 118 2004(2) Ondes électromagnétiques J Bok, N Hulin 1991(3) Les ondes en physique: de Pythagore à nos jours. Georges Mourier Ed Ellipses 2002(4) Agence Nationale des Fréquences 78, av du Général de Gaulle 94704 Maisons- Alfort