La découverte des pulsars

Overview

On peut dire que la découverte des pulsars en 1967 a été presque accidentelle. Les pulsars ont été découverts par Jocelyn Bell Burnell (1934-), alors étudiante diplômée à l’Université de Cambridge qui utilisait le radiotélescope de son conseiller pour rechercher des quasars. Sa découverte a eu un impact considérable, tant pour les astronomes en général que pour les femmes scientifiques en particulier. Depuis leur découverte, les pulsars ont été reconnus par les astronomes comme étant essentiels pour comprendre la nature des étoiles, en particulier les étoiles exotiques comme les trous noirs. Pour les femmes scientifiques, la découverte de Bell Burnell devait être une source d’inspiration. Rarement une femme scientifique avait acquis une telle notoriété pour une découverte scientifique. Et bien qu’elle n’ait pas partagé le prix Nobel de physique attribué à son conseiller pour la découverte des pulsars, elle a depuis été reconnue pour quelque chose de peut-être plus significatif : avoir contribué à ouvrir la voie aux femmes dans tous les domaines de la science.

Contexte

La découverte des pulsars a pour toile de fond l’ensemble de la radioastronomie, et la découverte desquasars en particulier. En effet, l’utilisation de radiotélescopes pour rechercher les quasars a conduit à la découverte des pulsars. L’histoire de la radioastronomie et du développement des radiotélescopes est importante pour la découverte des quasars et des pulsars.

Les radiotélescopes reçoivent des ondes radio et non de la lumière. Ils ne sont donc pas comme les télescopes optiques que nous associons normalement à l’astronomie. Les radiotélescopes n’ont pas de lentilles et ils n’ont pas la forme de tubes. Au lieu de cela, les radiotélescopes sont généralement constitués d’antennes radar ou de très grands réseaux de fils suspendus au-dessus du sol. Ces « télescopes » reçoivent les ondes radio de l’espace. Contrairement aux télescopes optiques, ils peuvent fonctionner nuit et jour, ainsi que par temps nuageux. Ils peuvent amplifier les signaux qu’ils reçoivent afin de les rendre plus forts, et ces signaux peuvent ensuite être transformés en signaux audio et vidéo qui sont interprétés par les astronomes. L’un des problèmes des radiotélescopes est qu’ils captent souvent des signaux radio d’origine humaine en provenance de la Terre. Cela peut entraîner une grande confusion. Une telle confusion a fait partie de l’histoire de la découverte des pulsars, et sera abordée ci-dessous. Mais d’abord, nous devons considérer la découverte des quasars.

Les quasars ont été découverts en 1960 avec un type de radiotélescope appelé interféromètre. Le radioastronome Thomas Matthews utilisait ce télescope pour obtenir une position précise d’un objet désigné sous le nom de « 3C 48. » Auparavant, cet objet avait été observé comme une étoile de couleur bleue. Matthews a démontré que cette étoile était une source de grandes quantités d’ondes radio. Au cours des années suivantes, d’autres objets émetteurs d’ondes radio ont été découverts. L’un de ces objets, appelé « 3C 273 », a été étudié de près en 1962. Il a été démontré qu’il était à la fois très distant et très brillant. Si brillant, en fait, que les astronomes ont estimé que cet objet unique était aussi brillant que 100 galaxies, soit l’équivalent d’un trillion d’étoiles. Des études plus approfondies de ces objets ont révélé qu’ils partageaient tous les caractéristiques suivantes : ils étaient extrêmement brillants, de grande taille (chacun d’entre eux ayant à peu près la taille de notre système solaire) et émettaient de grandes quantités d’énergie sous forme d’ondes radio. On les a appelés objets radio quasi-stellaires, ou quasars.

La meilleure façon de détecter les quasars était d’utiliser une technique appelée « scintillation interplanétaire ». Les ondes radio arrivant sur la Terre depuis des objets dans l’espace, comme les quasars, seront légèrement perturbées par le vent solaire (gaz ionisé) qui « souffle » de notre Soleil. Alors que les signaux radio en provenance de l’espace sont affectés par le vent solaire, les signaux radio en provenance de la Terre ne le sont pas. La technique de la « scintillation interplanétaire » permet de détecter les signaux radio en provenance de l’espace en recherchant la perturbation de ces signaux par le vent solaire ; cette perturbation est détectée comme un scintillement ou une « scintillation ». Pour détecter de telles scintillations, il fallait construire des radiotélescopes uniques.

En juillet 1967, des radioastronomes de l’université de Cambridge en Angleterre ont terminé la construction d’un tel radiotélescope. Le directeur de ce projet était Antony Hewish (1924- ). Il était aidé par Jocelyn Bell Burnell, qui était alors un étudiant diplômé, et d’autres volontaires. La construction de ce radiotélescope a pris deux ans et consistait en 193 km de câbles suspendus à 128 paires de poteaux. L’ensemble du télescope couvrait environ 4,5 acres de terrain. Dans le cadre de son travail de doctorat, Bell Burnell a analysé les tableaux de données produits par l’ordinateur du télescope. Son travail consistait simplement à examiner les nombreux tableaux de données, à trouver des scintillations comme celles produites par les quasars, puis à reporter leur position sur des cartes du ciel. Elle ne pouvait pas savoir que cette tâche apparemment banale conduirait à une découverte des plus remarquables.

Impact

Le travail de Jocelyn Bell Burnell au radiotélescope a été routinier pendant environ deux mois, jusqu’en août 1967. Le 6 août, le télescope a capté une source radio dont les signaux arrivaient par impulsions. Au début, Bell Burnell a pensé que les impulsions n’étaient que des « scruffs », car elles ne semblaient pas être les quasars qu’elle recherchait. Après un certain temps, elle s’est rendu compte que ces impulsions de « scruff » étaient extrêmement régulières. Au départ, ni Bell Burnell ni son conseiller Hewish ne pensaient avoir découvert quelque chose de nouveau. Ils pensaient qu’il s’agissait d’un signal radio d’origine humaine, peut-être réfléchi vers leur télescope par la Lune, un satellite ou même un bâtiment voisin. Mais en novembre, ils ont réalisé que ce n’était pas le cas, que leur mystérieux signal provenait en fait d’un endroit situé en dehors de notre système solaire. Fait étonnant, les impulsions d’ondes radio se produisaient avec une régularité si rapide – une toutes les 1-1/3 secondes – que Bell Burnell et Hewish ont pensé que la source n’était peut-être pas naturelle. Pour plaisanter, ils ont dit que le signal devait provenir de « petits hommes verts », et ils ont donc appelé la source radio pulsée LGM1.

Le mois suivant, en décembre 1967, Bell Burnell analysait des données provenant d’une autre partie du ciel et a trouvé une autre source radio pulsée régulièrement avec une période légèrement plus courte de 1-1/5 seconde. Puis, pendant les vacances de Noël, elle découvre deux autres sources pulsantes de ce type. Ainsi, en janvier 1968, Bell Burnell et Hewish savaient qu’ils avaient découvert une nouvelle classe d’objets dans l’espace. Ils ont annoncé leur découverte en février 1968 dans un article publié dans la revue Nature. L’annonce fut sensationnelle, et peu après, les objets reçurent le nom de pulsars.

Mais quelle sorte d’objets étaient ces pulsars ? Quelques mois avant la découverte de Bell Burnell, l’astronome Franco Pacini, alors à l’université Cornell de New York, a publié un article soutenant qu’une étoile à neutrons en rotation rapide, si elle existait, aurait un champ magnétique très puissant et serait donc une puissante source de rayonnement. En juin 1968, peu après l’annonce de la découverte des pulsars, Thomas Gold (1920- ), également de l’Université Cornell, a publié un article dans Nature dans lequel il identifiait les pulsars découverts par Bell Burnell avec les étoiles à neutrons en rotation théorique indiquées par Pacini. Il a ainsi été démontré que les pulsars étaient des étoiles à neutrons en rotation rapide. Ils émettaient des ondes radio de haute intensité à partir de leurs pôles magnétiques. En raison de leur rotation rapide, les ondes radio des pulsars sont détectées comme des « impulsions », un peu comme la façon dont on voit la lumière « pulser » d’un phare.

Parfois, l’un des résultats les plus intéressants de la découverte des pulsars a été la controverse sur qui les a réellement découverts. En 1974, Antony Hewish et Sir Martin Ryle (1918-1984) ont reçu le prix Nobel de physique pour leurs travaux en radioastronomie. Hewish a été reconnu pour son rôle dans la découverte des pulsars. Jocelyn Bell Burnell n’a pas partagé le prix. Elle n’était pas considérée comme la découvreuse des pulsars ; à l’époque, elle n’était qu’une étudiante diplômée et le comité du prix Nobel estimait que le prix devait être attribué à un scientifique ayant une longue expérience de la recherche. Son exclusion du prix Nobel a conduit de nombreux astronomes distingués, dont Thomas Gold, à se plaindre que Bell Burnell était en fait la découvreuse des pulsars et qu’elle aurait donc dû partager le prix.

Dans tout cela, Bell Burnell ne s’est pas plainte. Elle a déclaré : « Les prix Nobel sont basés sur des recherches de longue haleine, pas sur une observation éclair d’un étudiant chercheur. » Elle a cependant remporté de nombreux autres prix, médailles et distinctions pour sa découverte des pulsars et est devenue une source d’inspiration pour les femmes scientifiques. Vivant en Angleterre, elle se considère comme « un modèle, une porte-parole, une représentante et une promotrice des femmes dans les sciences au Royaume-Uni ». Et elle a sans aucun doute inspiré les femmes scientifiques du monde entier.

La découverte des pulsars a eu un impact sur la science et la société de deux manières significatives. Tout d’abord, ce fut une découverte incroyable pour les astronomes. Elle a non seulement confirmé l’existence de l’étoile à neutrons théorique, mais elle a également permis aux scientifiques de faire des progrès en astrophysique, notamment dans leurs théories sur l’effondrement stellaire et la formation des trous noirs. Par ailleurs, les pulsars sont les « horloges » les plus régulières de l’univers. Ils ont permis aux scientifiques de réaliser des tests importants de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein.

Deuxièmement, la découverte des pulsars a mis en lumière le rôle important des femmes dans les sciences. Peut-être plus surprenant que le fait qu’un nouveau type d’étoile ait été découvert, c’est qu’une femme l’ait découvert. En 1967, il y avait relativement peu de femmes établies dans les sciences. Jocelyn Bell Burnell était alors et reste un exemple important pour les femmes scientifiques. En 1991, elle a été nommée professeur de physique à l’Open University, en Angleterre. Peu après sa nomination, le nombre de femmes professeurs de physique au Royaume-Uni a doublé.

STEVE RUSKIN

Lectures complémentaires

Livres

Lyne, A. G. et F. Graham-Smith. Pulsar Astronomy. Cambridge : Cambridge University Press, 1990.

North, John. L’histoire Norton de l’astronomie et de la cosmologie. New York : W. W. Norton, 1995, pp. 563-66.

Articles périodiques

Bell Burnell, Jocelyn.  » Petits hommes verts, nains blancs ou quoi ? « . Sky & Telescope (mars 1978) : 218-21.

Reed, George.  » La découverte des pulsars : Was Credit Given Where it Was Due ? » Astronomy (décembre 1983) : 24-28.

Woolgar, S.W. « Writing an Intellectual History of Scientific Achievement : The Use of Discovery Accounts ». Social Studies of Science 6 (1976) : 395- 422.

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