I. Les Observations
1.2 Un interféromètre (plusieurs antennes uniques travaillant simultanément)
tures environnant le télescope (sol, cabine...), l’antenne elle-même et ses récepteurs. L’étape qui consiste à isoler le signal issu de l’objet étudié du reste du signal détecté, est donc une étape cruciale : c’est la calibration. Plusieurs techniques et méthodes existent et sont exposées dans la Partie 1 Chap. 2.
Pour pouvoir observer des régions aux échelles les plus petites, il faut , comme on l’a vu, accroître la résolution angulaire de l’antenne. Pour cela, on utilise donc l’interférométrie. Dans ce qui suit, les principaux organes d’un interféromètre sont détaillés.
1.2 Un interféromètre (plusieurs antennes uniques travaillant simultanément) Pour augmenter le pouvoir de résolution d’une antenne, il faut accroître sa surface collec-trice en préservant sa sensibilité, ses qualités de pointage, de rendement dans l’axe, d’effica-cité. Si l’on veut rester sous un système d’antennes uniques des limitations au niveau de la construction comme du coût apparaissent. Il est alors plus rentable d’utiliser l’interférométrie, c’est-à-dire la combinaison de plusieurs antennes uniques de taille et de coût raisonnables.
Cette technique de combinaison des signaux n’est pas pour autant une chose aisée à réa-liser. En effet, non seulement les problèmes posés par la détection avec des antennes uniques persistent (bruit dû à la surface collectrice, aux récepteurs...) mais d’autres problèmes tout aussi fondamentaux, doivent être pris en compte. En sommant simplement des signaux venant d’antennes différentes, il n’est pas possible d’obtenir de détection. Pour obtenir une mesure, il faut tenir compte d’un élément essentielle dans le signal reçu : sa phase (voir les deux prin-cipes de base d’électromagnétisme énoncés au début du chapitre). De plus, pour combiner de manière cohérente les signaux des différentes antennes, il faut disposer de nouveaux ins-truments : les corrélateurs. La taille des sources, comme le fait d’avoir une largeur de bande (en fréquence) finie, imposent également certaines contraintes au système. Dans le cas de l’interférométrie radio, la largeur de bande est seulement limitée par le mélangeur.
Un interféromètre hétérodyne est ainsi composé d’antennes, de récepteurs (voir la descrip-tion de ces deux objets dans la Sect. 1.1), de corrélateurs et d’un grand nombre de câbles et connections. Nous ne décrirons ici que le principe de base du fonctionnement d’un interfé-romètre et les problèmes rencontrés dans ce type d’observations (pour plus d’informations se référer au rapport de conférences de l’école d’été d’interférométrie de l’IRAM9).
1.2.1 La phase (ϕ), élément crucial dans l’interférométrie
En interférométrie, les radiotélescopes ne peuvent combiner les signaux que s’ils ont le même état de polarisation donc la même direction de leur champ électrique respectif soit que la phase relative (angle) entre les deux directions de polarisation soit nulle (modulo 2π). Il est donc très important d’étudier avec la plus grande attention la phase des signaux reçus par les antennes.
On peut faire interférer des signaux de plusieurs façons mais toutes sont confrontées à ce même problème de la phase. En effet, la géométrie de l’interféromètre (plus précisément, l’orientation relative des antennes, soit les lignes de base −→b , ainsi que l’orientation globale de l’interféromètre par rapport à la direction de propagation des ondes reçues −→s cause un décalage (ou retard) de phase (τG) dans la phase des signaux issus de chaque antenne : τG= −→b .−c→s par rapport au signal reçu par une autre antenne choisie comme référence (voir la Fig 1.11). Pour simplifier prenons le cas d’un interféromètre à deux antennes comme on peut le voir sur la Fig. 1.11.
9
"IRAM : Millimeter Interferometry Summer School ", proceedings from IMISS2, edited by A. Dutrey, ISBN 2-9516869
20 Le fonctionnement des radiotélescopes
Fig. 1.11 – Schéma représentant le fonctionnement d’un interféromètre hétérodyne à deux antennes avec un système compensant le retard de phase τG. On suppose que les signaux à la sortie des deux antennes sont de la forme U1(t) et U2(t) où E1=E2 sont les amplitudes des signaux respectivement de l’antenne 1 et 2. On retrouve aussi le mélangeur et l’oscillateur local, fonctionnant tous deux comme dans le cas d’une antenne unique. Le corrélateur (voir texte) est aussi représenté.
1.2 Un interféromètre (plusieurs antennes uniques travaillant simultanément) 21
Fig.1.12 – A gauche (a) : signal en sortie d’un interféromètre en produit (ou corrélation) ; à droite (b) : signal en sortie d’un interféromètre en somme.
Pour combiner les signaux U1(t) et U2(t) (tensions issues respectivement des antennes 1 et 2 ; voir la Fig 1.11), on peut procéder par :
* Interférométrie en somme (ou puissance totale): On additionne simplement les deux signaux (exprimés sous leur forme complexe). Le signal total résultant vaut :
Utot2 = 2E21(1 + cos(ωτG)) (1.1) où E1 = E2 (amplitudes issues des signaux respectivement de l’antenne 1 et 2) et ω = 2πν. Dans le cas d’antennes réelles , on procède plutôt à une convolution des signaux reçus plutôt qu’à une sommation. Le signal final ainsi obtenu est représenté par le graphique situé à droite dans la Fig 1.12. Le lobe principal synthétisé de l’interfé-romètre ainsi formé a les mêmes propriétes que le lobe principal d’une antenne unique mais c’est la norme de −→b qui intervient dans la détermination de sa taille (≈ λ / |−→b |).
* Interférométrie en produit (ou corrélation): Les signaux sont amenés dans un cor-rélateur (voir la description plus loin) qui donne le signal Utot suivant (voir le graphique à gauche de la Fig. 1.12) :
Utot ∝ 1 2E
2
1cos(ωτG) (1.2)
Ce signal varie alors périodiquement avec τG. Si l’orientation relative de l’interféromètre de ligne de base −→b et de direction de progagation de l’onde −→s ne varient pas, alors τG et Utot restent constants. Mais si −→s varie lentement (à cause par exemple du mouve-ment diurne de la Terre) alors τG varie et nous mesurerons des franges d’interférences fonctions du temps. Pour les antennes réelles, on multiplie ainsi les signaux reçus res-pectivement de chaque antenne en tenant compte des phases relatives (τG). On peut concrètement opérer soit de façon analogique par modulation de phase soit de façon numérique en digitalisant d’abord les signaux puis en effectuant ensuite la combinai-son (pour plus de détails, se référer au cours de DEA d’instrumentation de Mr P. Zarka). Les retards de phase, τG, sont communément compensés par des systèmes électroniques, après une ou plusieurs conversions en fréquence. Concrètement, une différence dans la longueur des câbles transmettant le signal est la solution la plus souvent utilisée pour compenser τG(voir la Fig 1.11). Des méthodes plus complexes de décalage de mémoire après un échantillonnage digital du signal dans le corrélateur peuvent aussi être des solutions techniquement réalisables.
22 Le fonctionnement des radiotélescopes
L’ajout dans la chaîne de détection (en parallèle d’un oscillateur local par exemple, comme sur la Fig. 1.11) d’un instrument qui introduit un autre décalage en phase (différent de τG) peut être aussi employé afin d’optimiser et de faciliter la combinaison des signaux U1(t) et U2(t) qui a lieu par la suite dans le corrélateur (voir les détails de cette méthode dans le rapport de conférences de l’école d’été d’interférométrie de l’IRAM ).
1.2.2 Le corrélateur
Un corrélateur (voir le bas de la Fig. 1.11) est un instrument qui recompose un signal à partir des signaux venant des différentes antennes, après que les retards en phase entre ces signaux aient été compensés par l’une des méthodes citées plus haut. Plus précisément, un corrélateur est composé d’un instrument qui multiplie la tension induite par le signal détecté par l’antenne, et d’un intégrateur en temps. Il existe des corrélateurs complexes qui sont la combinaison de plusieurs multiplicateurs de tension et intégrateurs en temps. De façon générale, le signal sortant du corrélateur est proportionnel aux signaux des antennes U1(t), U2(t)...Ui(t) et contient une relation entre les phases et amplitudes. (Voir pour plus de précision le rapport de conférences de l’école d’été d’interférométrie de l’IRAM ).
1.2.3 Autres effets spécifiques de l’interférométrie
Dans le cas d’un système de plusieurs antennes réelles (interféromètre), on fait, d’une part l’hypothèse que le plan d’onde incident est plan, ce qui implique que la source doit être dans un champ de vue éloignée de l’interféromètre ; et d’autre part, on utilise une superposition linéaire de l’onde incidente, ce qui implique la cohérence spatiale de la source. Ces deux hypothèses sont valides dans la plupart des sources astronomiques observées mais quelquefois, sous certaines circonstances, elles deviennent fausses. C’est par exemple le cas quand on observe certains objets du système solaire (violation de la première hypothèse).
Un autre effet à considérer est celui provoqué par la largeur de bande finie (due au cor-rélateur et aux mélangeurs). Cette limitation implique que lorsqu’on suit une source, il faut être extrêmement vigilant à la compensation du retard de phase effectuée tout au long de l’observation.