Le ciel radio est plus brillant que les astronomes ne le pensaient, révèle un prototype du SKA
Image à la une: Une antenne dipôle log-périodique SKALA4.1 à l’Observatoire de Radio-astronomie de Murchison en Australie-Occidentale. [Crédit : CSIRO / SKA Observatory]
Les astronomes ont sous-estimé la brillance du ciel radio basse fréquence d’une marge significative, selon de nouvelles mesures utilisant une antenne prototype pour le Square Kilometre Array publiées dans Nature Astronomy. Les résultats révèlent que le fond radio diffus entre 60 et 350 mégahertz est 20 pour cent plus brillant que les modèles précédents à l’extrémité inférieure de cette gamme et 50 pour cent plus brillant à 350 mégahertz.
Cette découverte a des implications immédiates pour le calibrage du futur télescope SKA-Low, l’interprétation des expériences sur l’aube cosmique cherchant le signal hydrogène à 21 centimètres, et notre compréhension de la population d’électrons de haute énergie dans la Voie lactée.
« Nous avons déterminé la brillance absolue du fond radio aux basses fréquences pour une très grande partie du ciel, avec une précision sans précédent », a déclaré Michiel Brentjens d’ASTRON, l’Institut néerlandais de radioastronomie, qui n’a pas participé à l’étude. « Cela n’a été possible que grâce aux développements récents en électronique et à la puissance croissante des ordinateurs. »
Les mesures ont été dirigées par Luke McKay du CSIRO, l’agence scientifique nationale australienne, utilisant une antenne dipôle log-périodique SKALA4.1, la même conception utilisée dans les stations SKA-Low, placée au-dessus d’un maillage au sol de station SKA-Low de 40 mètres de diamètre à l’Observatoire Inyarrimanha Ilgari Bundara en Australie-Occidentale.
Le problème du calibrage
Mesurer la brillance absolue du ciel radio basse fréquence est notoirement difficile. Aux fréquences plus élevées, les astronomes peuvent calibrer leurs instruments en pointant vers la Lune ou une planète, dont la température est connue. Mais aux fréquences inférieures à 350 MHz, le ciel lui-même est l’objet le plus brillant dans toutes les directions. Il n’y a aucune zone vide pouvant servir de référence de niveau zéro.
Les modèles de ciel précédents, notamment le Global Sky Model 2016 (GSM2016) construit à partir d’observations du 20e siècle, comportent des incertitudes systématiques d’environ 20 pour cent. Les nouvelles mesures réduisent considérablement cette incertitude : en dessous de 2 pour cent entre 60 et 150 MHz, atteignant un peu moins de 8 pour cent à 350 MHz.
La percée provient du récepteur GINAN, une nouvelle architecture de récepteur développée par le CSIRO qui s’auto-calibre dynamiquement pour le bruit du récepteur, la bande passante et l’adaptation d’impédance en temps réel tout en étant connecté à l’antenne. Cela élimine les incertitudes de calibrage qui ont entaché toutes les mesures antérieures dans cette gamme de fréquences.
Qu’est-ce qui rend le ciel plus brillant ?
Le ciel radio basse fréquence est dominé par le rayonnement synchrotron, des émissions d’électrons de rayons cosmiques de haute énergie spiralant le long des lignes de champ magnétique de la Voie lactée. Les nouvelles mesures suggèrent qu’il y a plus de ces électrons de haute énergie que les modèles actuels n’en tiennent compte.
Mais la population d’électrons galactiques n’est pas la seule source possible. Des populations non résolues de sources radio très lointaines et très faibles, au niveau du nanojansky, bien en dessous du seuil de détection des relevés existants, pourraient également contribuer à l’excès. Une combinaison des deux est considérée comme l’explication la plus probable.
L’article évoque également une possibilité plus exotique : qu’une partie de l’excès pourrait provenir de la désintégration de particules de matière noire. Brentjens a décrit les preuves de matière noire comme « très minces », mais a noté que la mesure précise fournit de meilleures limites supérieures sur les possibles signaux de désintégration et d’annihilation de la matière noire.
Implications pour SKA-Low et au-delà
L’impact pratique le plus immédiat concerne le calibrage de SKA-Low, qui fonctionnera de 50 à 350 MHz, exactement la gamme de fréquences couverte par ces mesures. Les nouvelles données fournissent une échelle de densité de flux absolue précise qui peut servir de référence primaire stable pour calibrer toutes les observations de SKA-Low.
Les implications s’étendent aux expériences sur l’époque de la réionisation (EoR), qui cherchent à détecter le signal hydrogène à 21 centimètres de l’aube cosmique. Ces observations doivent soustraire le premier plan radio diffus, qui est plusieurs ordres de grandeur plus brillant que le signal qu’elles tentent de détecter. Un modèle de ciel incorrect produit des erreurs systématiques qui pourraient soit submerger, soit imiter le signal EoR.
D’autres télescopes radio basse fréquence, notamment LOFAR en Europe, le Murchison Widefield Array en Australie et OVRO-LWA en Californie, devront revoir leurs échelles de calibrage de flux. La norme existante, l’échelle de densité de flux de Baars, comporte des incertitudes systématiques d’environ 20 pour cent qui peuvent désormais être corrigées.
Le co-auteur Ron Ekers, figure légendaire de la radioastronomie australienne, a noté que ce résultat rappelle combien d’astrophysique fondamentale reste à accomplir alors même que l’astronomie entre dans l’ère des installations de plusieurs milliards de dollars. « Nous avons construit un meilleur radiomètre et découvert que le ciel n’est pas ce que nous pensions », a-t-il déclaré. « Parfois, les découvertes les plus importantes viennent du simple fait de mesurer les choses plus attentivement. »
Traduit par Lydie