Maser astronomique

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Le maser astrophysique existe dans l'univers sous la forme occasionnelle d'une source spontanée d'un rayonnement à émission stimulée, détectable dans le spectromètre par la présence d'une raie spectrale, la fréquence dans la plupart des cas se situant dans la région des micro-ondes du spectre électromagnétique. Cette sorte d'émission peut se produire dans le contexte d'une comète, d'un nuage moléculaire, dans une atmosphère planétaire, stellaire, ou bien encore selon d'autres conditions au sein de l'espace interstellaire. Souvent ces rayonnements stimulés ont une largeur de bande plus étroite que les rayonnements thermiques, et ils concentrent plus l'énergie à certaines longueurs d'onde.

Énergie transitoire discrète[modifier | modifier le code]

Comme pour le laser, l'émission d'un maser est stimulée et monochromatique; elle a pour fréquence le niveau correspondant à la différence d'énergie entre deux niveaux d'énergie quantique de l'espèce qui a été "pompée" dans une distribution de population thermiquement quelconque. Le maser d'origine spontanée est par contre différent d'un maser de laboratoire en ce qu'il ne comporte pas d'équivalence à la cavité résonnante (ou résonateur) caractéristique de ces derniers. L'émission du maser astrophysique est le produit d'une passe unique au travers du milieu amplificateur et ainsi ne se préoccupe pas de cohérence spatiale, ni surtout de la pureté de mode qui est attendue de ses équivalents du laboratoire.

Nomenclature[modifier | modifier le code]

En raison des différences entre le maser de laboratoire et les masers d'origine spontanée, le maser astronomique a souvent été décrié comme n'étant pas "véritablement" un maser[1] puisqu'il présente pas la fonction d'un résonateur. Le laser étant destiné à être le plus souvent utilisé en tant qu'oscillateur, l'acronyme le plus exact pour désigner l'appareil de laboratoire aurait en réalité été: "loser; terme qui en anglais, aurait été susceptible de prêter à confusion. Ainsi la distinction entre le "loser" (laser basé sur un oscillateur) et le "laser", dont l'acronyme suggère la notion de passe unique était généralement négligée la durant les premiers temps de cette technologie[2].

Cette première inconsistance d'une dénomination pour l'appareillage entraîne ensuite l'apparition d'autres dénominations paradoxales. Par exemple, lorsque le milieu amplificateur d'un laser mal aligné est à émission stimulée mais sans oscillation, on dit qu'il émet en émission spontanée ou ASE. L'ASE est considéré comme indésirable voire parasite car l'utilisateur attend de son système en réalité le comportement loser, soit : "OSE". L'émission produite par les masers astronomiques spontanés est de fait "ASE" mais on préfère parfois l'appeler "émission superradiante" pour la différencier de l'émission en laboratoire. Cette précision ne fait en réalité qu'ajouter un peu plus à l'imbroglio étant donné que les deux sortes de sources sont toutes les deux superradiantes (Il convient de remarquer que dans le cas de certains lasers de laboratoire, comme dans la cas de passe unique à travers un étage Ti-saphir (en) à amplification régénérative, le comportement physique est équivalent à celui du maser astronomique).

Un même niveau de flou et d'imprécision affecte les interprétations qui sont faites de la valeur assignée à l'initiale m pour micro-ondes, dans maser[3]. Ainsi à l'époque où les lasers étaient expérimentés d'abord dans le champ visible du spectre on pouvait les caractériser en "masers optiques". Townes défendait alors l'idée que le m était plus significatif en tant que raccourci pour "molécule" puisque ce sont les états d'énergie des molécules qui généralement permettent d'effectuer la transition. En conséquence de cette logique, certains, n'opérant pas de distinction concernant la fréquence de sortie utilisent le terme de laser pour tout système concerné par une transition électronique, par opposition au terme de maser pour les systèmes exploitant une transition vibratoire ou . Il y a ensuite des astrophysiciens qui utilisent le terme d'iraser pour décrire un maser émettant à une longueur d'onde de quelques micromètres, ceci sans se formaliser de ce que la physique optique considère ses sources de même nature comme des lasers. De même le terme de taser a été employé pour décrire les masers de laboratoire opérant dans la gamme des térahertz tandis que les astronomes les appellent plutôt masers sub-millimétriques et que les physiciens les appellent plutôt lasers à gaz ou en particulier lasers à alcool en raison de la nature de leur milieu amplificateur. Quant à ce qui concerne l'ingénierie électrique l'emploi du terme de micro-ondes y reste réservé à des fréquences se situant entre 1 GHz et 300 GHz.

Conditions d'observation[modifier | modifier le code]

La simple existence d'une inversion de population pompée ne garantit pas que le maser astronomique puisse être détecté et observé. Il doit y avoir cohérence de vitesse le long de la ligne de mire pour que le décalage Doppler n'empêche pas le couplage optique (en) des différentes parties du milieu amplificateur. De même, là ou la polarisation des lasers et des masers de laboratoire est réalisée par la sélection d'un mode d'oscillation, la polarisation d'un maser naturel ne se produit que dans certaines conditions particulières de structure de la pompe spontanée dépendant du champ magnétique dans le milieu amplificateur. Compte tenu de ces deux conditions préalables le rayonnement des masers astronomiques est fréquemment trop faible pour être facilement détecté, en fonction de la sensibilité limitée des observatoires et de leur éloignement relatif à la source du rayonnement, également à cause de l'absorption spectrale parfois écrasante par les autres molécules faisant obstacle dans l'espace environnant du maser. Ce dernier aspect est partiellement compensé par l'utilisation judicieuse du filtrage interférométrique, en l’occurrence, interférométrie à très longue base (VLBI).

Contexte astronomique[modifier | modifier le code]

(...) Ces masers proviennent des gaz dans des nuages interstellaires, des comètes, ou des atmosphères planétaire ou stellaires. Ils sont excités par la lumière des étoiles ou des centres galactiques ou par un impact.

Ex:
22 GHz par de la vapeur d'eau dans la comète Shoemaker-Levy 9 lors de son impact sur Jupiter
1667-MHz par le radical OH produit par l'ultraviolet solaire dans la comète Hale-Bopp.
22 GHz par de la vapeur d'eau dans la lune de Saturne Hyperion
CO2 dans l'atmosphère de Mars
Autour des étoiles avec nébuleuse planétaires
par le radical OH vers 1000 à 10000 unités astronomiques (UA)
par de la vapeur d'eau vers 100 à 400 unités astronomiques (UA)
par du monoxyde de silicium vers 5 à 10 unités astronomique (UA)
665, 1667, 1720, 4660, 4750, 4765, 6031, 6035, et 13441 MHz par le radical OH dans les nuages moléculaires
1720 MHz par le radical OH quand un rémanent de supernova frappe les nuages moléculaires
par de la vapeur d'eau autour des trous noirs galactiques
Dans le visible ( laser) par de l’hydrogène autour d'étoiles dans les Sphères de Strömgren

Découverte et mise en évidence[modifier | modifier le code]

Historique[modifier | modifier le code]

En 1965 l'équipe Weaver[3] faisait l'observation très inattendue dans l'espace d'une émission d'origine inconnue de raies lumineuses, à une fréquence de 1665 MHz. À cette époque l'idée la plus répandue tenait l'existence de molécules impossibles dans l'espace et ainsi cette émission fut tout d'abord attribuée à quelque entité spatiale de nature inconnue qui fut baptisée en Mysterium, mais bientôt identifiée comme la raie spectrale de molécules OH en groupes compacts au sein de nuages moléculaires[4]. D'autres découvertes suivirent, une émission par H2O en 1969[5], une émission par CH3OH en 1970[6] une émission par SiO en 1974[7], chacune ayant son origine au sein d'un nuage moléculaire. Ces émissions furent bien identifiées en tant que "masers", leur étroitesse et leur forte température rendant évident leur nature d'un rayonnement par micro-onde amplifié.

Molécules ou atome dont l'émission interstellaire est connue[modifier | modifier le code]

Octobre 2011

  • OH
  • CH
  • H2CO
  • H2O
  • NH3, 15NH3
  • CH3OH
  • SiS
  • HC3N
  • SiO, 29SiO, 30SiO
  • HCN, H13CN
  • H

Environnements Maser[modifier | modifier le code]

Comètes[modifier | modifier le code]

Les comètes sont des corps de petite dimension (5 à 15 km de diamètre) formés de glaces de matériaux volatils (H2O, CO2, NH3, CH4) noyées dans une croûte silicate. Ils orbitent autour du Soleil suivant des orbites excentriques et à l'approche du Soleil les volatils se vaporisent et forment un halo autour du noyau puis une queue. Une fois vaporisées ces molécules peuvent former des inversions et entrer dans les conditions maser.

Restes de supernova[modifier | modifier le code]

La transition maser de la molécule OH à 1720 MHz est connue pour être caractéristique de résidus de supernova interagissant avec les nuages moléculaires.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) « Astrophysics and Space Science » (consulté le 3 janvier 2012)
  2. (en) « Biographical Memoirs V.83 » (consulté le 3 janvier 2012)
  3. a et b (en) « Physical Review Vol.112 » (consulté le 3 janvier 2012)
  4. « C.H. Townes Allocution Prix Nobel » (consulté le 4 janvier 2012)
  5. « Laboratoire de Physique, ENS » (consulté le 4 janvier 2012)
  6. « Detection of Methyl alcohol in Sagittarius » (consulté le 4 janvier 2012)
  7. « The Astrophysical Journal 192 » (consulté le 4 janvier 2012)