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En bref

Situé sur le site de la Station de Radioastronomie de Nançay, qui regroupe au coeur de la Sologne les radiotélescopes Français observant à des fréquences ≤ 3 GHz, NenuFAR est un très grand radiotélescope basses fréquences, qui comptera parmi les plus puissants du monde dans sa gamme de fréquences, entre 10 MHz et 85 MHz. Cette gamme correspond à la « fenêtre » de plus basse fréquence dans laquelle on peut observer avec des radiotélescopes sur la surface de la Terre. NenuFAR, optimisé pour la gamme de fréquences de 10 MHz à 85 MHz (longueur d’onde λ de 4 m à 30 m), y aura la meilleure sensibilité.

Ses objectifs scientifiques principaux sont:

  • la détection et l’étude des exoplanètes (planètes tournant autour d’étoiles autres que le Soleil) en radio ;
  • la détection du signal radio de l’ « Aube Cosmique » (moment de la formation des premières étoiles et galaxies), quelque 100 millions d’années après le Big Bang ;
  • l’étude des pulsars (étoiles mortes hyperdenses et fortement magnétisées en rotation rapide) à basses fréquences.

NenuFAR permettra aussi de nombreuses autres études : émissions radio d’étoiles éruptives ou magnétisées, galaxies et amas de galaxies, raies spectrales dans le milieu interstellaire, éclairs d’orages planétaires, sursauts radio de la magnétosphère de Jupiter, du Soleil, et diverses sources encore inconnues (dont peut-être des signaux radio liées aux événements catastrophiques provoquant l’émission d’ondes gravitationnelles) … Plus de détails sur https://nenufar.sciencesconf.org

LOFAR

LOFAR (http://www.lofar.org) est le précurseur des grands réseaux de radioastronomie. Constitué d’environ 50 réseaux d’antennes (ou « stations ») distribués à travers toute l’Europe (dont 1 à Nançay) connectés par réseau informatique haut débit à un calculateur aux Pays-Bas, LOFAR excelle à explorer la gamme de fréquences de 110 MHz à 250 MHz (λ = 1.2 m à 2.7 m) et a des performances plus modestes dans la gamme de 30 MHz à 80 MHz (λ = 3.7 m à 10 m). Il réalise des images de toutes sortes de « sources » radio cosmiques, des planètes du système solaire aux galaxies et amas de galaxies.

NenuFAR

Les antennes de nenuFAR

NenuFAR est le radiotélescope de classe internationale ayant le meilleur rapport performances / prix, avec un coût total de l’ordre de 10 millions d’€, financé principalement par la Région Centre-Val-de-Loire et la Région Ile-de-France, avec des contributions du CNRS, de l’Observatoire de Paris, de l’Agence Nationale de la Recherche, et du Space Research Institute de Graz. Actuellement financé à 75%, NenuFAR est construit à 60%, en phase de tests, recette, et étalonnage, et il va entrer en première phase de production scientifique dès 2019. Rendez-vous sur ce site pour les résultats !

NenuFAR sera un instrument triple:

  • un radiotélescope permettant de former de multiples faisceaux récepteurs très sensibles répartis à volonté entre 10 et 85 MHz ; un mode spécial est destiné à la détection des pulsars ; un autre – en cours d’étude – est destiné à la recherche de possibles signaux extraterrestres artificiels (programme SETI = Search for Extra Terrestrial Intelligence) ;
  • un imageur radio autonome, permettant de construire des images radio du ciel en quelques secondes (à la résolution – la finesse des détails distinguables – de ~1°) à quelques heures (à la résolution de ~10 minutes d’arc);
  • une « super station » de LOFAR, extension géante de la station LOFAR de Nançay, permettant à NenuFAR+LOFAR de réaliser des images radio du ciel à la résolution ≤1 seconde d’arc

NenuFAR est – avec LOFAR – labellisé « Infrastructure de Recherche » nationale par le Ministère de lʼEnseignement supérieur, de la Recherche et de lʼInnovation.
C’est aussi un précurseur officiel du futur radiotélescope mondial SKA (le Square Kilometer Array – https://www.skatelescope.org & https://www.skatelescope.org/precursors-pathfinders-design-studies/ )

Éléments techniques

Les Antennes

Basée sur l’antenne développée originellement par Burns Industries pour le radiotélescope LWA (États-Unis), l’antenne « NenuFAR », couplée à un préamplificateur spécialement étudié dans le cadre d’une collaboration avec le laboratoire « Subatech » (IN2P3) présente des performances aujourd’hui inégalées dans la bande de fréquence observée. A terme, 1938 antennes seront déployées sur le site de NenuFAR.

Les Réseaux

Les antennes sont groupées par sous-ensembles de 19 antennes appelés mini-réseaux, dont la topologie a été étudiée pour optimiser la réponse globale du radiotélescope (disposition des antennes dans le mini-réseau, rotation entre les mini-réseaux). Les 96 mini-réseaux de NenuFAR sont pilotés électroniquement pour orienter le faisceau du radiotélescope dans la direction de la source céleste étudiée

Le système de phasage

Eprouvé depuis plusieurs décennies dans le cadre de l’exploitation scientifique du Réseau Décametrique à la Station de Radioastronomie de Nançay, le système de phasage des mini-réseaux d’antennes, dont le rôle est d’orienter le faisceau résultant dans la direction de la source céleste étudiée, est réalisé par la PME « Intercept-Trégor »,  il utilise des câbles coaxiaux pour la réalisation des temps de retard qui sous-tendent le phasage

Chaque mini-réseau d’antennes est piloté par un système de contrôle-commande lui-même réalisé par la PME ALSE. Une transmission par fibre-optique et une conception dédiée assurent à ce système une contribution nulle aux signaux perturbateurs susceptibles d’affecter le fonctionnement de l’instrument.

Le récepteur

Les sorties analogiques des mini-réseaux d’antennes sont acquises par un récepteur basé sur des cartes de numérisation rapide. A partir d’un cahier des charges réalisé à la Station de Radioastronomie de Nançay et largement inspiré du code du récepteur de LOFAR, la PME ALSE a réalisé spécialement pour NenuFAR un récepteur constitué de 24 cartes numérisant les signaux des 96 mini-réseaux d’antennes à une cadence de 200 MHz. Ce récepteur délivre à la fois des données à basse résolution temporelle (typiquement 1 « spectre » par seconde) pour les réseaux individuels et pour le faisceau phasé du télescope, mais également des flux de données à très haut débit destinés à alimenter des récepteurs dédiés (machines dédiées à l’étude des pulsars, à la création de plans « temps-fréquence », système dédié pour les études « SETI », corrélateur pour la fonctionnalité imageur….)

Science

Exoplanètes 

La détection et l’étude des exoplanètes (planètes tournant autour d’étoiles autres que le Soleil) reste à faire en radio. Près de 4000 exoplanètes ont été découvertes dans le visible (http://exoplanet.eu), nous renseignant sur leurs orbites, masses, tailles, atmosphères, et révolutionnant les théories de formation de notre système solaire. La détection radio donnera accès au champ magnétique de certaines de ces planètes et à leur magnétosphère, un bouclier protecteur qui pourrait favoriser l’apparition de la vie. La détection radio des magnétosphères d’exoplanètes révolutionnera à son tour les théories physiques gouvernant l’environnement magnétisé et ionisé des planètes.

On pense que l’émission radio est produite par l’interaction entre la planète (sa magnétosphère ou son ionosphère) et l’étoile (le vent stellaire et le champ magnétique). Pour les Jupiters chauds (planètes géantes orbitant très près de leur étoile), une émission intense – détectable par NenuFAR – est prédite.

Les étoiles de faible masse, actives, éruptives ou fortement magnétisées devraient elles-mêmes produire d’intenses émissions radio, analogues beaucoup plus puissants des sursauts radio solaires. La distinction entre émission radio de l’étoile, de la planète, ou induite par la planète dans la couronne de l’étoile, pourra être faite grâce aux fréquences, polarisation, et variations temporelles du rayonnement détecté. NenuFAR défrichera ce nouvel et vaste domaine d’étude.

Aube cosmique

La détection du signal radio de l’ « Aube Cosmique », époque de la formation des premières étoiles et galaxies, nous renseignera sur la physique de l’Univers au travers et à la fin des « Ages Sombres ». Cette période durant laquelle la matière et le rayonnement interagissent très peu s’étend de l’émission du rayonnement cosmologique (CMB, à 3 Kelvin, 400000 ans après le Big Bang) à l’Aube Cosmique, quelque 100 millions d’années après le Big Bang. Le signal recherché est celui de l’hydrogène neutre (1420 MHz) décalé dans la gamme de NenuFAR par l’éloignement cosmologique. Les modèles théoriques prédisent une variation de l’intensité globale de ce signal et de la distribution de ses fluctuations angulaires en fonction du temps, donc de la fréquence. Ce sont ces fluctuations angulaires, aux échelles entre 0.1° et 1°, que tentera de mesurer NenuFAR. Une détection permettra d’identifier le ou les modèles théoriques décrivant le mieux l’évolution de l’Univers jeune.

Pulsars

Les pulsars sont des étoiles mortes hyperdenses et magnétisées en rotation rapide, émettant de brèves impulsions radio régulières espacées de quelques millisecondes à dizaines de secondes (et parfois sujettes à des éclipses ou extinctions de signal plus ou moins longues et mal comprises). NenuFAR en recensera la population galactique, mesurera leurs spectres et la morphologie de leurs impulsions à des fréquences de plus en plus basses (nous renseignant sur leurs magnétosphères), et les perturbations dues à la propagation des impulsions à travers le milieu interstellaire (nous renseignant sur la densité, le champ magnétique et les fluctuations de ce dernier, et permettant d’améliorer le chronométrage du temps d’arrivée des impulsions, une clé de la détection d’ondes gravitationnelles de longue période).

Transitoires astrophysiques

De nombreux phénomènes cosmiques, souvent catastrophiques, produisent des impulsions radio brèves et intenses (dites « transitoires »), détectées jusqu’ici à des fréquences proches du GHz. L’étude des transitoires radio à basse fréquence est un champ quasi-vierge. Ils peuvent être dus aux mystérieux « sursauts radio rapides » (Fast Radio Bursts) provenant de distances cosmologiques, aux hypothétiques contreparties radio des sursauts Gamma et des événements à ondes gravitationnelles (fusions d’étoiles à neutrons ou de trous noirs binaires), aux gerbes d’électrons produites par l’impact de rayons cosmiques ou de rayons Gamma de haute énergie sur l’atmosphère terrestre, et à d’autres sources non encore identifiées. NenuFAR propose plusieurs modes d’acquisition rapide des données adaptés à ces émissions

Eclairs d’orages planétaires

Une catégorie particulière de transitoires radio basses fréquences est constituée des éclairs d’orages dans les atmosphères des planètes du système solaire. Ils ont été détectés sur Saturne  depuis le sol et l’espace, et sur Jupiter, Uranus et peut-être Neptune depuis l’espace seulement. Le cas de Vénus est très controversé, avec des détections contestées. Sur Mars, on s’attend à d’intenses décharges électriques dans les tempêtes de poussière. Leur étude est intéressante pour la météorologie planétaire, mais aussi la formation de molécules complexes dans les atmosphères.

Les éclairs d’orages terrestres seront également détectés, avec un intérêt particulier pour les éclairs entre l’atmosphère et l’ionosphère (qualifiés des noms poétiques de « farfadets » – sprites – ou d’elfes).

Et encore

NenuFAR permettra aussi de nombreuses autres études :

  • galaxies (noyaux actifs, formation stellaire, régions diffuses), amas de galaxies (halos, reliques), champs magnétiques (interstellaire, intergalactique), notamment en mode super station LOFAR ;
  • raies spectrales dans le milieu interstellaire (raies de recombinaison deu Carbone, de l’Hydrogène, de l’Hélium, du Soufre) ;
  • sursauts radio de la magnétosphère de Jupiter, sursauts radio Solaires,
  • sillages de météores dans l’atmosphère terrestre,
  • voire recherche de signaux extraterrestres …

LE DÔME
Rencontre rapprochée entre art et radioastronomie

Création artistique : Cyrille Courte
Spatialisation sonore : Shoï Extrasystole
Dimensions : ∅ 8m x H 4m
Localisation : Proximité du Pôle des Étoiles
Réalisation prévue : 2020

Un domaine scientifique comme la radioastronomie peut paraître assez abstrait pour le grand public. Les images radio, les spectrogrammes, ne sont pas parlants à qui n’est pas chercheur. Afin de sensibiliser le visiteur à cette science de l’invisible qui, comme d’autres, peut susciter l’émerveillement, la Station de Radioastronomie de Nançay a fait appel à l’artiste Cyrille Courte pour la réalisation d’une œuvre architecturale et sonore : Le Dôme. Comme son nom l’indique, il s’agira d’une structure hémisphérique érigée sur le principe de l’autotension. Par un habile jeu d’équilibre, les éléments assemblés formeront des spirales dans l’espace. À l’intérieur de la structure, le visiteur pourra écouter à travers une spatialisation sonore une retranscription des ondes radio détectées par le réseau NenuFAR.

Partenaires

Le développement de NenuFAR a été soutenu en personnels et en financements par: Station de
Radioastronomie de Nançay, CNRS-INSU, Observatoire de Paris-PSL, Université d’Orléans,
Observatoire des Sciences de l’Univers en région Centre, Région Centre-Val de Loire, DIM-ACAV
et DIM-ACAV+ de la Région Ile-de-France, Agence Nationale de la Recherche.