Rapport2

Résumé / Abstract

Français
Notre projet de recherche est de construire un radiotélescope, ainsi que tous les éléments le composant, dans le but de procéder à une cartographie de la Voie lactée. Ce projet requiert la maitrise de plusieurs concepts élémentaires et plus avancés dans différentes branches de la physique moderne et se base principalement sur l’émission d’onde radio à une certaine fréquence de l’hydrogène neutre constituant plus de 75% de notre galaxie. Les résultats obtenus lors de plusieurs passages dans différentes régions du ciel en fonction de la rotation de la Terre permettront la synthèse d’un référentiel visuel de la Voie Lactée.

English
Our research project is to build a radio telescope and all of its components in order to create a map of the Milky Way. This project requires mastery of several elementary and more advanced concepts in different branches of modern physics and is mainly based on a specific radio wave emission of neutral hydrogen that constitute more than 75% of our galaxy. The results obtained during several runs in different regions of the sky according to Earth’s rotation will allow the synthesis of a visual referential of the Milky Way.

Table des matières

1.0 - Introduction
2.0 - Théorie fondamentale
2.1 – La ligne d’hydrogène
2.2 – La nature ondulatoire de la lumière
2.3 – La résonance
2.4 – Le Jansky
2.5 – L’angle solide
2.6 – L’impédance
2.7 – Le patron d’émission d’une antenne parabolique
2.8 – Le filtre passe-bas
2.9 - Redresseur de courant
3.0 – Méthodologie
3.1 – Le radiotélescope
3.2 – La parabole
3.3 – L’antenne
3.4 – L’amplification et la filtration
4.0 – Présentation et analyse des résultats
5.0 – Conclusion
6.0 – Médiagraphie

1.0 - Introduction

«Ne pas consentir que l'univers est ce qu'il est, c'est ne pas consentir à être ce que nous sommes»¹ . Ces quelques mots de George Sand expriment parfaitement la fascination que l’homme entretient à l’égard de l’univers depuis le début des temps. Cette fascination a eu pour conséquence la naissance de différents domaines scientifiques, tels que l’astrophysique et l’astronomie, dans le but de répondre aux multitudes de questions s’y rattachant.

C’est toutefois durant les années 1930 qu’un nouveau domaine scientifique, la radioastronomie, prit forme après la découverte accidentelle par le physicien américain Karl Jansky d’un bruit de fond universel constitué d’ondes radio. Les recherches effectuées dans ce domaine ont mené à plusieurs grandes avancées scientifiques telles que la découverte des étoiles à neutrons et celle de la structure spiralée de la Voie lactée.

L’objectif de ce travail de recherche est de produire une carte de la Voie lactée en se basant sur les variations de concentrations d’hydrogène mesurées dans plusieurs régions de la galaxie. Pour ce faire, il sera nécessaire de conceptualiser et de construire les différentes composantes formant un radiotélescope et effectuer les mesures nécessaires à la création d’une référence visuelle à partir des résultats obtenus. Les notions théoriques fondamentales ainsi que la méthodologie employée seront détaillées dans les sections suivantes.

2.0 - Théorie fondamentale

2.1 – La ligne d’hydrogène

L’atome d’hydrogène est le plus simple et le plus abondant des atomes présent dans l’univers. Son noyau est constitué d’un seul proton de charge positive autour duquel ne tourne qu’un seul électron de charge négative. Selon le modèle atomique de Niels Bohr (1885-1962), «l’électron de l’atome d’hydrogène ne gravite autour du noyau que selon certaines orbites circulaires bien déterminées ou permises»² . Bien que ce modèle fût ensuite amélioré par le physicien autrichien Erwin Schrödinger (1887-1961), la simplicitié de la notion d’orbitales ou de niveaux d’énergies du modèle de Bohr suffit à la compréhension de l’origine de la ligne d’hydrogène. Malgré le fait que les électrons tournent autour du noyau selon ces orbitales, ils tournent également sur eux-mêmes. Ce moment cinétique quantique appelé spin de l’électron correspond de façon imagée à l’axe de rotation de toute particule. Conséquemment, l’électron peut adopter un sens de rotation identique à celui du noyau de l’atome d’hydrogène, soit un spin parallèle à niveau d’énergie plus élevé, ou un sens de rotation à l’inverse de celui du proton qui décrit un spin antiparallèle à un niveau d’énergie très légèrement inférieur.

Quand l’électron passe du niveau d’énergie le plus élevé (spin parallèle) au niveau d’énergie moins élevé (spin antiparallèle) il restitue l’énergie égale à la différence entre les deux niveaux sous forme de lumière, c’est-à-dire une onde électromagnétique. Cette différence d’énergie étant très faible, la radiation créée se situe dans les micro-ondes avec une longueur d’onde de 21 cm.En utilisant la relation suivante :

λ= c/f (Équation 1)

où lambda λ correspond à la longueur d’onde, c la vitesse de la lumière et f la fréquence de l’onde, il est possible de déterminer que la fréquence de ce changement de niveau d’énergie correspond à 1420,4 Mhz. Bien que ce changement d’orbital mette plusieurs millions d’années à s’effectuer naturellement, la présence d’une quantité phénoménale d’hydrogène dans l’univers (approximativement 75% de l’univers) favorise l’observation de ce phénomène. La détection de la présence d'hydrogène ainsi que la mesure de sa concentration dans différentes régions de la Voie lactée permettront la création d'une référence visuelle de notre galaxie.

2.2 – La nature ondulatoire de la lumière

La principale découverte attribuée au physicien anglais James Clerk Maxwell (1831-1879) est d’avoir démontré que la lumière est une onde électromagnétique. Ces ondes ont pour caractéristique de toujours se propager dans le vide à la vitesse de la lumière de trois cent million de mètres par seconde et de posséder à la fois un champ électrique et un champ magnétique. Par définition, les champs magnétiques et les champs électriques sont toujours en phase perpendiculaires l’un à l’autre et le produit scalaire entre les deux permet de déterminer la direction de la propagation de l’onde. Puisque le champ magnétique varie de façon sinusoïdale, il induit, d’après la loi de l’induction de Faraday, un champ électrique variant de la même façon et perpendiculaire à celui-ci. Toutefois, puisque le champ électrique varie selon une fonction sinusoïdale il induit, selon la loi de Maxwell, un champ magnétique perpendiculaire qui varie également de façon sinusoïdale et ainsi de suite. «Les deux champs se créent mutuellement et continuellement par induction, et les variations sinusoïdales résultantes des champs se propagent comme une onde – l’onde électromagnétique»³ .

Lorsque le champ électrique frappe l’antenne d’un radiotélescope, les électrons présents dans le matériau de l’antenne sont excités et se déplacent dans le sens opposé à celui-ci. Puisque le champ varie, le sens du déplacement des électrons varie également à son opposé ce qui est le fondement même d’un courant alternatif. Ce courant peut alors être mesuré et traité adéquatement (voir Méthodologie) pour que son intensité soit proportionnel à la concentration d'hydrogène de la région observée.

2.3 – La résonance

«La résonance est un phénomène selon lequel certains systèmes physiques (électriques, mécaniques...) sont sensibles à certaines fréquences»⁴. C’est-à-dire qu’un système résonant, ou oscillateur, peut accumuler une énergie importante, si celle-ci est appliquée périodiquement, proche de la fréquence de résonance du système. Ce principe de résonance est couramment utilisé pour la détection des signaux de radio ou de télévision. En effet, le signal provenant «directement de l’antenne peut être vu comme une source de force électromotrice ε où des tensions de plusieurs fréquences différentes sont superposées»⁵ Le courant produit sera la somme des courants qui seraient causés individuellement par la tension de chaque fréquence. En concevant l’antenne de sorte que la courbe de résonance est étroite (voir méthodologie), il est possible de faire en sorte que celle-ci soit plus sélective envers les signaux dont la fréquence est proche de la fréquence de résonance, mais tout de même différente ce qui permettra de l’isoler plus efficacement. Conséquemment, la fréquence de résonance produira un plus grand courant que les autres fréquences captées ce qui facilitera le traitement de celui-ci qui serait autrement trop faible pour être mesuré.

2.4 – Le Jansky

Karl Guthe Jansky (1905-1950) est le père fondateur de la radioastronomie. En 1932, il découvrit que la galaxie émettait des ondes radio et permit ainsi la naissance d’un tout nouveau domaine scientifique. En l’honneur de Jansky, l’unité utilisée par les radioastronomes pour exprimer l’intensité ou la densité du flux des sources radios est le Jansky << Jr >> qui est défini comme un flux de 10^-26 Watts par mètre carré de surface de réception et par Hertz (10^-26 W.m^-2.Hz^-1. Cette unitée sera employé pour décrire l'intensité du signal reçu lors des vérifications préalables ainsi que les prises de mesures.

2.5 – L'angle solide

«L'angle solide, dans l'espace tridimensionnel, est défini de façon analogue comme le rapport de la superficie d'une partie d'une sphère sur le rayon au carré. Son unité est le stéradian noté sr.»¹³. L'angle solide est défini par:

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Figure 1. Représentation visuelle de l'angle solide.

Ω=A/r^2 (Équation 2)

où Ω est l'angle central, A l'aire de la projection sur la sphère et r la distance entre la base de l'angle et la projection. Ainsi, on peut développer la formule de l’angle solide tel que:

Ω=πR^2/r^2

Par ailleurs, on obtient par simple trigonométrie que:

tan(θ_min/2)r=R

où Rest le rayon du cercle projecter sur la sphère de rayon r. Puisque l'angle est très petit il est possible de faire l'approximation que Tanθ = θ et par conséquent on obtient:

θ_minr/2=R

d'où

θ_min=2R/r

En substituant ce résultat dans l'équation précédemment définie on obtient que:

Ω=π(θ_min/2 r)^2/r^2

Ω=π ((θ_min^2/4r^2)/r^2

Ω=π θ_min^2/4 (Équation 3)

Ainsi l’angle solide est indépendant de la distance r entre la parabole et la projection qui est infini dans le cadre de ce projet. Il est important de mentionner que le θ_min représente le critère de Rayleigh. Le premier minimum apparaît lorsque:

sinθ_min=1,22λ/D (Équation 4)

où λ est la longueur d'onde et D le diamètre de la parabole.«Selon le critère de Rayleigh, deux images sont tout juste séparées lorsque le maximum central d’une figure coïncide avec le premier minimum de l’autre. La séparation angulaire critique entre deux sources, correspondant au critère de Rayleigh s’écrit»¹⁴:

θ_c=1,22λ/D

Comme dans le cas ultérieur de la tangente, il est possible d'approximer que sinθ = θ puique l'angle est très petit. On obtient donc que:

θ_min=1,22λ/D (Équation 5)

Il est à noter que cette équation donne un angle en radians. Pour obtenir la conversion de cette équation en degré il suffit d'effectuer la transformation suivante:

θ_min=1,22λ/D x 180/π

θ_min=70λ/D (Équation 6)

2.6 – L’impédance

L’impédance est l’homologue en courant électrique alternatif de la résistance en courant électrique continu. En effet, ce paramètre «mesure l’opposition d’un circuit électrique au passage d’un courant alternatif sinusoïdal»⁶ . Comme son homologue, elle peut être définie par la généralisation de la loi d’Ohm :

V=ZI (Équation 7)

où V est la différence de potentiel, Z l’impédance et I l’intensité du courant. Toutefois, il peut être plus pertinent de voir l'impédance dans le cadre de ce projet comme la facilité d'une onde électromagnétique d'une certaine fréquence à se propager. Quand il y a une jonction entre deux conducteurs d'impédance différente dans un circuit, une portion du signal est réfléchit à cette jonction atténuant ainsi la quantité de signal transmise. Ce concept sera pertinent dans l’étude du cheminement du courant (voir méthodologie) à travers les différents modules du radiotélescope, puisqu’il faut s’assurer de ne pas atténuer un courant qui est déjà très faible.

2.7 – Le patron d’émission d’une antenne parabolique

Tel que l’on peut supposer, le gain du signal peut varier en fonction du positionnement géométrique dans l’antenne parabolique que l’on utilise. Le patron général est bien illustré par la Figure 2 suivante:

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Figure 2. Patron d'émission général d'une parabole circulaire de faible dimension par rapport à la longueur cible, tiré du site web http://www.trevormarshall.com/biquad.htm

Comme on peut le voir sur ces images, il existe une diffraction du signal qui ne peut être négligé dans bien des cas. En effet, «la taille de la surface formant le réflecteur est souvent relativement petite devant la longueur d'onde du signal émis et le réflecteur comporte aussi des irrégularités»⁸ ce qui cause les interférences. Chaque point infinitésimal du réflecteur agit comme une source ponctuelle et «le champ total émis en un point est la somme cohérente de tous les champs»⁹ ce qui produit un diagramme d’émission comportant des lobes secondaires que l’on doit minimiser pour avoir une plus grande précision dans nos mesures. Le lobe principal possède une ouverture angulaire en degré qui peut être déterminé mathématiquement en utilisant l'équation 6 présentée un peu plus haut:

θ= 70λ/D

2.8 – Le filtre passe-bas

Le filtre passe-bas est un filtre, généralement électronique, qui a pour fonction de laisser passer les basses fréquences tout en atténuant les fréquences élevées. La manière la plus simple de construire un filtre passif est d’utiliser un circuit RLC, c’est-à-dire un circuit comprenant une résistance R, un condensateur de capacité C et une bobine d’induction L. Ce filtre, aussi appelé filtre du second ordre a généralement l’ordre de circuit suivant¹⁰ :

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Figure 3. Circuit général d'un filtre passe-bas tiré du site web http://fr.wikipedia.org/wiki/Filtre_passe-bas

Ce système réduit l’amplitude du signal de sorte que l’on obtient une moyenne de l’amplitude de la fréquence. Chaque filtre est caractérisé par une fréquence de coupure, c’est-à-dire une fréquence pour laquelle le signal de sortie est atténué d’environ 70%. La relation est la suivante :

f= 1/2πRC (Équation 8)

où fc est la fréquence coupée en Hertz, R la résistance en ohm et C la capacité du condensateur en farads. Cette formule permettra de déterminer des valeurs de résistance et de capacité arbitraire en fonction de la fréquence de 1420,4 Mhz. Ultimement, ce filtre permettra de faciliter l’acquisition des données par ordinateur (voir méthodologie).

2.9 - Redresseur de courant

Dans le cadre de ce projet, le redresseur de courant permettra de préparer le signal au filtrage par le filtre passe-bas afin d'obtenir un courant continue ce qui facilitera l'acquisition par ordinateur. De façons générale, les ordinateurs communs ne peuvent échantilloner adéquatemment à ces fréquences sur un courant alternatif. Puisque l'acquisition des mesures se ferait à intervalles réguliers, mais à des positions aléatoires sur le signal de forme sinusoidale, il est possible de croire que le signal perçu par ordinateur soit la moyenne des mesures aléatoires qui serait très probablement nul. Il est donc nécessaire de trouver une façon d'obtenir un courant continue pour que la prise de donnée aléatoire donne un résultat non-nul. La première étape de cette transformation est le redresseur de courant.

Le redresseur de courant, aussi appelé convertisseur alternatif – continu, sert à convertir les tensions négatives continues à partir d’un courant discontinu (alternatif) pour ultérieurement le rendre continu. Celui-ci reçoit un signal qui est inconstant, qui varie de façon sinusoïdale, et transmet un signal plus simple à interpréter. Il existe deux types de redresseurs de courant : les redresseurs monophasés et les redresseurs triphasés. Par contre, on s’intéresse seulement aux redresseurs monophasés parce que les autres sont conçus pour mêler trois courants ensemble, ce qui n’est pas notre cas. Pour les redresseurs monophasés, il y a deux sortes : ceux à mono alternance et ceux à double alternance.

Les redresseurs monophasés à mono alternance peuvent être non commandés et commandés. Les redresseurs monophasés à mono alternance non commandés reçoivent un signal sinusoïdal et annulent les tensions négatives en laissant les tensions positives intactes. Sur la figure 4, la courbe supérieure représente la tension d’entrée et celle du bas la tension de sortie. Les redresseurs monophasés à mono alternance commandés reçoivent aussi un signal sinusoïdal, mais les tensions négatives sont supprimées. Sur la Figure 5, la courbe du haut représente la tension d’entrée. Celle du bas représente la tension en bleu et l’intensité en rouge du courant sortant. À partir du moment où la tension d’entrée devient négative, le courant est coupé.

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Figure 4. Représentation graphique de l'impact d'un redresseur de courant monophasé non commandé sur un circuit alternatif, tiré de http://fr.wikipedia.org/wiki/Redresseur

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Figure 5. Représentation graphique de l'impact d'un redresseur de courant monophasé commandé sur un circuit alternatif, tiré de http://fr.wikipedia.org/wiki/Redresseur

Les redresseurs monophasés à double alternance à quatre diodes, aussi appelés ponts de Graëtz, permettent de faire que la tension de sortie soit la valeur absolue de la valeur d’entrée. Lorsque le signal est positif, les diodes ayant une tension d’anode supérieure à la cathode s’ouvriront pour permettre le courant de passer. Lors que le signal est négatif, ce sont les deux autres diodes qui vont s’ouvrir. De cette façon, la tension du courant est toujours positive tel que montré à la Figure 6. La portion supérieure correspond au courant entrant alors que la portion inférieure représente le courant sortant.

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Figure 6. Représentation graphique de l'impact d'un pont de Graëtz sur un circuit à courant alternatif, tiré de http://fr.wikipedia.org/wiki/Redresseur

Les appareils employés et leur impact sur la méthodologie seront expliqués dans la section suivante.

3.0 - Méthodologie

Afin de parvenir à cartographier la Voie lactée, il sera nécessaire d’effectuer un montage de différents modules traitant des éléments présentés précédemment. En effet, le radiotélescope sera constitué en ordre d’une parabole, d’une antenne, d’un amplificateur, d’un filtre électronique, d’un convertisseur analogique à numérique et d’un ordinateur. Toutes ces constituantes à l’exception du convertisseur et de l’ordinateur seront reliées par des câbles coaxiaux de qualité. Ce choix se base sur la constitution du câble, c’est-à-dire qu’il s’agit d’un fil de cuivre qui est un très bon conducteur (donc, minimise les pertes de signal), recouvert d’un bouclier servant à minimiser les interférences avec les autres longueurs d’ondes. Puisque le signal reçu sera excessivement faible, il serait judicieux de réduire la quantité de câbles entre l’antenne et l’amplificateur lors de l’assemblage pour prévenir une quelconque diminution du signal sujet à analyse.

3.1 – Le radiotélescope

Le radiotélescope sera l’appareil employé pour réaliser l’objectif de ce projet de recherche. Compte tenu du fait que l’amplificateur et le filtre électronique seront construits de toutes pièces, ils seront montés sur le même module bien qu’ils ont des rôles bien différents. L’ordre de branchement des différentes composantes du radiotélescope sera fait de la façon suivante :

Parabole/Antenne Amplificateur/Filtre Redresseur de courant/Filtre Passe-bas Convertisseur analogique/numérique Ordinateur

3.2 – La parabole

La parabole utilisée pour ce projet est caractérisée par un diamètre de 3,63 mètres. Elle sert uniquement à focalisé les rayons de lumière invisible vers un point foyer où se trouvera l’antenne afin d’obtenir la plus grande puissance de signal possible. On peut déterminer son angle d’ouverture en utilisant l'équation 6:

θ=70 λ/D

θ=70 (0,21 m)/(3,63 m)

θ=4,05°

Il est généralement admis qu'un demi-degré correspond en moyenne à la surface qu’occupe la pleine lune dans le ciel. Compte tenu de ce qui précède, on peut déduire que la parabole employée pour ce projet couvre près de 64 fois cette superficie et plus de 8 fois son diamètre. Cette donnée est capitale pour évaluer la variation de l’angle de la parabole par rapport au sol entre les différents passages pour couvrir la plus grande superficie du ciel possible.

3.3 – L'antenne

L’antenne est fabriquée à partir d’une longue tige de cuivre et d’une plaque de métal et sa conception vise à maximiser le gain d’entrée d’une fréquence définie. L’antenne est fabriquée selon les mesures suivantes¹¹ :

Support de l'antenne vu de dessus:

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Figure 7. Support de l'antenne, adapté des plans de M. Pierre Biron enseignant au département de génie électrique du Cégep de Sherbrooke.

Antenne vu du dessus:

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Figure 8. Dessus de l'antenne, adapté des plans de M. Pierre Biron enseignant au département de génie électrique du Cégep de Sherbrooke.

Antenne complète:

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Figure 9. Aperçu de l'antenne complète, adapté des plans de M. Pierre Biron enseignant au département de génie électrique du Cégep de Sherbrooke.

Les mesures choisies pour l’antenne sont directement en lien avec la longueur d’onde de la ligne d’hydrogène (21 cm). Le fil de cuivre situé à une hauteur λ/4 du fond a une longueur correspondante à 2λ afin de pouvoir la plier en deux carrés dont les arêtes mesurent le quart de la longueur d’onde. Le support carré possède une longueur et une largeur λ et les volets axiaux une hauteur de λ/4 . Ces volets servent à diminuer la radiation des lobes secondaires expliqués dans la section 2.7. Il est à noter que le support aurait pu être fabriqué en cuivre ou même en laiton, mais que l’acier est employé dû à son accessibilité. Quant au connecteur, il correspond à un câble coaxial régulier avec impédance de 50 Ω.

Voici le résultat final:

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Figure 10. Montage final de l'antenne.

3.4 – L'amplification et la filtration

Une fois le courant dans l’antenne, celui-ci sera transporté par un câble coaxial vers un amplificateur qui aura pour fonction d’accroître le gain du signal. Celui-ci sera ensuite filtré le plus adéquatement possible pour isoler la fréquence de 1420.4 MHz. Les plans employés pour l’amplificateur et le filtre proviennent d’un concept élaboré par Steven W. Ellingson de l’université Virginia Tech aux États-Unis¹²:

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Figure 11. Image de l'amplificateur/filtre, tiré de "Attach:amplifacteur.pdf"

Voici le schéma électrique de l'amplificateur et du filtre ainsi que les valeurs de ses composantes:

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Figure 12. Circuit électronique de l'amplificateur/filtre, tiré de "Attach:amplifacteur.pdf"

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Figure 13. Valeur des composantes électronique de l'amplificateur/filtre, tiré de "Attach:amplifacteur.pdf"

Initialement, nous avons tenté de fabriquer un système filtre amplificateur correspondant au système présenté ci-haut, mais ce projet n'est pas réalisable étant donné la grosseur des composantes de l’amplificateur et la différence entre les techniques de soudure utilisé (montage en surface versus montage régulier). Il est donc nécessaire de modifier les plans initiaux afin qu’ils conviennent aux exigences due aux matériels disponible. La résolution de ce problème se fera en deux étapes:

Premièrement, fabriquer un filtre qui serait détaché du cadre du système (bouclier 1), mais qui posséderait son propre cadre indépendant (bouclier 2). Les proportions des mesures des plans seront respectées à l’aide d’une simple règle de trois, ainsi on obtient un plan avec les mesures à l’échelle suivante :

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Figure 14. Dimension du second concept de filtre

Deuxièmement, le nouveau cadre du système devra avoir des dimensions plus grandes que celle proposé dans le plan initial, mais quelles dimensions seraient les plus avantageuses? Les dimensions employées sont la longueur d’onde émise par l’hydrogène neutre en longueur et la moitié de cette longueur d’onde en largeur. Un tel système aurait un effet de résonnance et agirait en quelque sorte comme un deuxième filtre. L’inconvénient d’un tel cadre est qu’à l’inverse du cadre originel celui-ci serait probablement trop gros, à défaut de fonctionner.

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Figure 15. Représentation visuelle du second concept de filtre

Une série de test avec émetteur et récepteur en circuit fermé ont toutefois prouvé que notre adaptation du montage était éronée.Seule une amplification de 10 dB, soit le tier de l'amplification escomptée, est perceptible mais à l'ensemble des fréquences sans aucune filtration particulière. Il est possible de formuler l'hypothèse qu'une grande portion du signal, voir la quasi totalité, est radié par les fils électriques de l'entrée du circuit vers les fils électriques présents à la sortie de celui-ci, laissant donc une faible portion du signal à être amplifier par le montage ce qui expliquerait la faible amplification. C'est-à-dire que les fils électriques de moindre qualité additionnés de leur longueur excessive se comportent comme des antennes, contournant ainsi le système de filtration. Ainsi, il est impossible de savoir si la nouvelle version du filtre est à même de fonctionner.

Considérant ces résultats, l'étape suivante était logiquement de remplacer les fils électriques de moindre qualité par des fils coaxiaux de plus petites longueurs. Puisque ces fils sont caractérisés par un meilleur bouclier, on suppose qu'ils sont moins prédisposés à adopter un comportant similaire à une antenne. Voici le résultat final:

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Figure 16. Montage secondaire de l'amplificateur filtre.

Toutefois, après assemblage, cette manoeuvre semblait vouée à l'échec. Il semblait clair que le niveau de précision nécessaire à la réalisation des composantes électroniques de l'amplificateur, du filtre, du redresseur de courant ainsi que du filtre passe-bas dépassait largement nos compétences et que les alternatives professionelles étaient trop coûteuses.Il était donc nécessaire d'envisager une méthode alternative pour traiter le signal reçu de l'antenne.

Nous avons considéré l'intégration d'un signal secondaire très près en terme de fréquence au signal principal afin de créer des battements. C'est-à-dire que lorsque deux ondes dont les fréquences sont rapprochées sont superposées, celles-ci s'additionnnent pour créer une onde résultante dont la fréquence correspond à la différence de fréquence entre les deux ondes initiales. Puisque la fréquence serait très faible (possiblement une dizaine de Hertz) les portions électroniques tel que le filtre, l'amplificateur, le redresseur de courant ainsi que le filtre passe-bas ne seraient plus nécessaires afin de faire l'acquisition des données sur ordinateur. Toutefois, la qualité de l'émetteur est crucial afin de pouvoir créer des battements de seulement quelques Hertz dans la bande de fréquence mesurée (10^6 Hertz). Suite à une consultation avec Monsieur Pierre Biron enseignant en génie électrique au cégep de Sherbrooke, il était nécessaire d'écarter cette idée à cause du manque d'accessibilité à un tel émetteur et la certitude d'ajouter une certaine quantité de bruit dans le signal. Encore une fois de retour à la case départ.

Considérant l'échec des méthodes employées précédemment et l'échéancier très restreint dans lequel nous nous trouvons, il semble adéquat d'acheter un amplificateur à faible bruit conçu à cette effet. Le site web www.radioastronomysupplies.com est incontrournable pour tout radioastronome amateur et semi-professionel. Il est donc possible de se procurer un amplificateur correspondant à nos besoins dans un délai raisonable. Cet amplificateur sera relié directement au montage de l'antenne et de la parabole avec le minimum de fil requis afin d'évter toute perte inutile du signal reçu.

En ce qui à trait de l'acquisition, monsieur Pierre Biron nous as fourni un analyseur de spectre portatif qui permet de cibler une fréquence particulière et de couvrir une certaines largeur de bande de fréquence. En d'autres mots, cet appareil permet de faire l'acquisition et agit en quelque sorte comme un filtre. Celui-ci sera donc relié directement à l'amplificateur acheté sur le web pour compléter le montage du radiotélescope.

4.0 – La prise de mesures

L’idéal pour la prise des mesures expérimentales est de situer le radiotélescope à un endroit où il risque d’être le moins influencé par les interférences habituelles telles que les ondes radio, les signaux satellites et autres. Afin de limiter ces parasites, il sera localisé en campagne, loin des sources d’interférences de la ville. Une fois le montage ci-haut assemblé et que la validation du fonctionnement de chacun des éléments sera faite, il sera possible de procéder aux premières prises de données.

Puisque la longueur d’onde de la ligne d’hydrogène correspond à un spectre de lumière non visible, il est possible d’effectuer la prise de données pendant le jour ou durant là nuit et ce même sous certaines intempéries tel que la pluie ou un ciel nuageux. Toutefois, puisque le Soleil est constitué à plus de 73 % d’hydrogène, il constitue en lui-même une très grande source d’interférence. C’est pourquoi les mesures seront préférablement faites à l’obscurité.

L’angle d’ouverture de la parabole déterminée mathématiquement dans la section précédente admet qu’une très faible fraction du ciel sera couverte par un seul passage. Par conséquent, une multitude de passages devront être effectués à des angles légèrement différents afin de couvrir la plus grande superficie possible. Bien que la durée idéale d’un passage en pleine noirceur au mois de novembre soit d’environ 14 heures (Durée moyenne de la nuit en milieu novembre dans l’hémisphère nord), il est possible que la taille de l’information récoltée soit trop importante pour le support informatique employé. Ce paramètre sera alors évalué durant les prises de données initiales. Le nombre suffisant de passages effectués, quant à lui, sera déterminé par les contraintes au niveau du temps requis par la prise de donnée et l’analyse de celles-ci.

Une fois les données recueillies, il sera possible de créer une carte des différentes concentrations d’hydrogènes en fonction de la région de l’espace observée. Il serait au-delà de nos espérances de pouvoir observer les différents bras spiralés de notre galaxie aux endroits les plus concentrés en hydrogène. Toutefois, il serait plus réaliste d’espérer observer un plan unique d’hydrogène concentré correspondant au plan de la Voie lactée.

4.0 - Présentation et analyse des résultats

Les premiers tests effectués en reliant directement l'antenne à l'analyseur de spectre étaient plutôt concluants. En effet, en positionnant l'antenne directement vers le Soleil il était possible d'observer des pics d'intensité à 1420.4 Mhz, 1420.6 Mhz et 1420.8 Mhz. Puisque la directionnalité de l'antenne est inconnue, il est impossible d'attribuer ces pics d'intensité à une source cosmique en particulier. Par contre, lors d'expérimentations de nuit, il est devenu clair que le Soleil contribuait, dans une proportion inconnue, aux trois pics d'intensité puisque ceux de 1420.4 Mhz et 1420.6 Mhz disparaissaient complètement, alors que celui de 1420.8 Mhz diminuait légèrement. Par conséquent, il semblait logique d'attribuer cette dernière fréquence au signal de la ligne d'hydrogène qui servirait à la cartographie de la Voie lactée. La distinction entre la fréquence théorique de 1420.4 Mhz, 1420.6 MHz et 1420.8 Mhz peut être expliquée par l'effet Doppler. C'est-à-dire que puisque nous sommes en mouvement par rapport au Soleil et aux autres sources cosmiques de la ligne d'hydrogène, la fréquence perçue voit sa longueur d'onde légèrement modifiée.

Toutefois, des recherches en radioastronomie de l'Université de Dayton¹⁷ ont permis de déterminer que les fréquences de 1420.4 MHz et 1420.6 MHz seraient vraisemblablement des fréquences émises par certaines nébuleuses du bras d'Orion. Les nébuleuses, éléments de Cygnus-Aquila, sont très rapprochés du système solaire ¹⁸¹⁹:

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Figure 17. Représentation simple de la position de Aquila (Aquila Rift) par rapport au Soleil tiré du site web http://www.physicsforums.com/blog.php?b=26.

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Figure 18. Représentation des bras de la Voie lactée et longitude galactique tiré de http://en.wikipedia.org/wiki/File:Milky_Way_Arms_ssc2008-10.svg.

Ces recherches ont également mené à l'hypothèse que la fréquence de 1420.8 Mhz correspond à un nouveau bras de la galaxie:

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Figure 19. Résultats de recherche de l'Université Dayton tiré de http://www.astronomynotes.com/ismnotes/greenbank-report.htm .

À partir de ces recherches et des résultats de nos premiers essais, il est possible de supposer que le décalage entre les intensités mesurées le jour et le soir est directement lié à la position de Cygnus-Aquila et du nouveau bras dans le ciel au moment des prises de données. Suite à une vérification sur le logiciel chercheur d'étoile Skyglobe, la position de Cygnus-Aquila dans la constellation de l'aigle est effectivement visible en cette période de l'année durant le jour seulement. Alors la chute de l'intensité du signal la nuit est effectivement due au fait que la constellation de l'aigle passe sous l'horizon.

Malgré ces résultats très surprenants, il est impossible de compléter le projet à cause du manque de matériel. En effet, l'amplificateur commandé sur internet n'a pas été livré à temps ce qui a pour conséquence de limiter cette recherche aux quelques mesures présentées ci-haut. ­­

5.0 - Conclusion

Conclusivement, bien que l'objectif initial de ce travail de recherche de produire une carte de la Voie lactée n'a pas été atteint, il est possible d'admettre que celui-ci est une réussite. En effet, les plus récents essais démontrent qu'il est possible de mesurer la ligne d'hydrogène adéquatement avec le montage le plus récent du radiotélescope, et ce, malgré les pièces maîtresses manquantes. Une fois l'amplificateur livré, la parabole assemblée et le radiotélescope complété, il aurait été très simple de cartographier notre galaxie avec une précision plus que satisfaisante. Ce projet démontre que la curiosité peut être un point de départ convaincant à l'accomplissement de très grandes choses et il démontre l'accessibilité de la radioastronomie à faible budget comme champ de recherche amateur. Comme a écrit James E. Gunn²⁰: << Quand les radioastronomes s’ennuyaient à leurs postes d’écoute électronique. Quand leurs yeux se voilaient de regarder des cadrans sans particularité et d’étudier des graphiques sans incident, ils pouvaient sortir de leur cellule en béton et renouveler leurs esprits ternes en communion avec le mécanisme de géant qu'ils commandaient, le silence, l'instrument de détection de par lequel les plus petits paquets d'énergie, les plus petites vagues de matière, ont été détectés dans leur course effrénée et éternelle à travers l'univers. C'est le stéthoscope avec lequel ils prennent le pouls de l'ensemble et ont noté la naissance et la mort des étoiles, la sonde avec laquelle, ici, sur une planète insignifiante d'une étoile indiscernable sur le bord de la galaxie, ils ont exploré l'infini. >>

6.0 Médiagraphie