Analyses spectrales et construction des images radio

Le signal en provenance des sources radio sur la fréquence de l’hydrogène atomique et capturé par l’antenne parabolique est reçu par le récepteur programmable (SDR). Ce SDR est piloté par un logiciel d’analyse spectrale rtl_power_fftw. Cette application tourne sous Linux sur un micro ordinateur RaspBerry Pi 3B+. Le récepteur fait des acquisitions à la fréquence de 2.560.000 échantillons par seconde. Le logiciel effectue une opération mathématique qui permet de passer du domaine temporel (le signal radio reçu en fonction du temps) au domaine fréquentiel (l’intensité du signal à chaque fréquence). Les calculs effectués consistent en des séries de transformées de Fourier sur 512 points couvrant 2,560 MHz (5,000 KHz par point), cumulées sur 59 secondes afin d’en améliorer la fiabilité. Le 15 août 2019 Rémi (F6CNB/N5CNB) a trouvé un erreur dans le source du programme rtl_power_fftw qui explique deux anomalies dans les spectres calculés jusque là. La précision du convertisseur analogique numérique du récepteur SDR utilisé pour le moment est de 8 bits. Ce qui correspond à un codage sur 2 puissance 8 niveaux d’intensité en linéaire (256 valeurs). Pendant une minute, la Terre tourne de 15 minutes d’arc (1/4 de degrés), un tour de 360 degrés par 24 h. Donc nous obtenons 1416 spectres de fréquence par 24 heures (24 spectres sont manquants pour des raisons de temps de calcul) qui correspondent à une fenêtre haute de 360 degrés ouverte sur le ciel au-dessus du radiotélescope mais large de seulement 0,25 degrés. Les spectres calculés traduisent donc l’énergie du signal dans chaque « bin » de 2,5 KHz entre 1,4195 MHz et 1,4205 MHz. Il est alors possible de représenter l’ensemble des spectres sous forme d’une seule image dont l’axe vertical représente l’heure de l’observation et l’axe horizontal les fréquences. L’intensité des « bins » (densité spectrale de puissance) est codée selon une palette de couleurs du bleu au rouge. La fréquence du signal émis par un atome d’hydrogène lorsque son électron change de spin est calculable et correspond à 1420,405752 MHz. C’est la fréquence centrale des spectres calculés dans notre application. Que représente alors les fréquences autour de cette fréquence centrale. Il faut faire appel à un phénomène physique appelé effet Doppler pour expliquer l’observation. Ce phénomène est celui que nous pouvons tous observer quand nous entendons la sirène d’une voiture de pompier ou d’un train qui passe rapidement devant nous. On a alors une sensation de glissement de la fréquence vers des sons plus graves lorsque la source s’éloigne de nous. Le changement de fréquence n’est qu’apparent, car la source est bien de fréquence constante, et il est proportionnel à la vitesse (radiale) de la source par rapport à l’observateur. Si la source vient vers nous le décalage de fréquence se fait vers une fréquence plus élevée. Si la source s’éloigne, il se fait vers une fréquence plus basse.

On peut donc calculer la vitesse Vs de rapprochement ou d’éloignement de la source, connaissant ‘c’ la vitesse de la lumière dans le vide proche de trois cent mille Km par seconde (299792,458 km/s), la fréquence de la source ‘f’ et la fréquence observée ‘fe’.

Vs = c . ((f/fe) -1) [éloignement]

Vs = c . (1 – (f/fe)) [rapprochement]

C’est le même phénomène pour tous les signaux périodiques ondulatoires, les sons comme les ondes radioélectriques. Finalement, ce que les spectres de fréquence que nous calculons à partir des signaux en provenance d’une source radio c’est la vitesse de rapprochement ou d’éloignement des atomes d’hydrogènes. Leur électron change de spin une fois par million d’année, mais l’hydrogène est si abondant dans notre Galaxie (et l’univers) que nous captons un signal suffisamment fort pour qu’il soit détectable avec un radiotélescope. Notre Galaxie a une forme de spirale avec plusieurs bras et tourne sur elle-même. Le système solaire auquel nous appartenons est sur l’un des bras. Donc nous apercevons depuis la Terre, comme sur un manège en mouvement, des parties de la Galaxie qui s’éloignent de nous et d’autres qui se rapprochent. D’où les décalage en fréquence des signaux de l’hydrogène. L’axe des fréquences de l’image qui est produite peut ainsi être calibrée en vélocité et on observe des vitesses pouvant aller jusqu’à 200-300 km/sec, 100 km/sec dans notre cas, car les performances de notre système de réception des signaux qui dépend de la technologie d’un préamplificateur datant des années 1980s n’est pas encore optimisé. En attendant nous prévoyons d’améliorer la qualité des analyses en remplaçant le récepteur SDR par un plus précis car faisant des conversions analogiques numériques sur 12 bits et plus stable en fréquence, ce qui est utile quand on fait des observations sur de très longues durées. Le SDR RSP2 pourrait convenir car sa fréquence peut se synchroniser sur une horloge de GPS extrêmement stable.

Toute première image obtenue avec le radiotélescope de la Villette (crédit F1EHN)

Malheureusement tant que l’antenne est immobile nous n’avons pas encore accès au préamplificateur situé tout en haut du mat de l’antenne derrière le dipôle source dans la cavité. Il faudra attendre la réparation du moteur de déclinaison pour pouvoir le remplacer par un préamplificateur plus performant pour améliorer les performances du radiotélescope. C’est pourquoi nous faisons dores et déjà appel à la générosité des sympathisants pour financer la réhabilitation du radiotélescope (voir le menu « soutien -sponsoring »). Nous allons bientôt lancer une campagne de financement participatif à plus large échelle.