(ce texte est celui des élèves du club d'astronomie AstroCartan)

Nous sommes les élèves du club astronomie du lycée Élie Cartan à la Tour du Pin. Nous allons vous présenter l’expérience que nous avons menée dans le cadre du concours « Ciel imagé, Ciel imaginé, Ciel représenté ».

À partir des années 1950, des astronomes commencèrent à mesurer la rotation des galaxies. Ils trouvèrent un résultat surprenant : la vitesse de rotation ne diminue pas avec la distance au centre comme prévu. Dans les années 1970, Vera Rubin et Kent Ford, deux astronomes américains, étudièrent de nombreuses galaxies spirales et montrèrent que les courbes de rotation restaient plates, même très loin du centre. Ce résultat impliquait que la masse continuait d’augmenter avec le rayon mais une grande partie de cette masse n’émettait pas de lumière. Ils ont fourni la première preuve observationnelle solide de la matière noire. 

Nous avons tenté d’établir la courbe de rotation de notre galaxie, la Voie Lactée, pour voir si nous trouvions également une courbe de rotation qui restait plate à partir d’un certain rayon galactique. Pour réaliser cette expérience, nous avons observé les mouvements de nuages de gaz présents dans notre galaxie grâce à l'étude de la lumière qu'ils émettent.

La lumière se propage sous forme d’ondes de différentes fréquences. La radioastronomie est une branche de l’astronomie qui étudie la lumière dans le domaine radio. L’instrument utilisé est le radiotélescope. Il permet d'étudier le spectre lumineux émis par le gaz interstellaire.

La raie H1 est une raie spectrale créée par une modification de l’état de l’atome d’hydrogène neutre, produite par une inversion du spin de l’électron.  Ce rayonnement électromagnétique a une fréquence de 1420,4 MHz : il est donc dans le domaine radio. C’est ce rayonnement, émis par des nuages d’hydrogène neutre présents dans notre galaxie, que nous allons observer.

L’effet Doppler-Fizeau est dû à un décalage spectral d’une onde émise par un objet dans un mouvement radial qui le rapproche ou qui l’éloigne d’un observateur. Cet effet s’applique à la raie H1 émise par un nuage de gaz interstellaire d’hydrogène neutre.

La fréquence f mesurée lors de l’observation et la fréquence f0 émise par l’objet s’il était au repos permettent de calculer le décalage spectral z.

La vitesse radiale de l’objet est obtenue en multipliant z par la vitesse de propagation de l’onde, multipliée par c, multipliée par la lumière. 

Nous avons utilisé ces calculs pour établir la courbe de rotation de la Voie Lactée.

Pour sélectionner la vitesse radiale qui convient, nous utilisons la méthode du point tangent : on mesure la vitesse radiale d’un nuage de gaz dont le mouvement de rotation est tangent à la ligne de visée en observant la fréquence du pic correspondant au décalage spectral maximal. Cela n’est donc possible que pour un gaz dont la taille de l’orbite autour du centre galactique est inférieure à celle du Soleil. 

C’est pour cela que nous avons réalisé nos mesures uniquement dans le premier cadrant galactique, pour des longitudes galactiques allant de 0 à 90°.

Pour effectuer nos mesures, nous avons utilisé un radiotélescope du réseau Europe Hands on Universe, basé à Cracovie, en Pologne. Le diamètre du radiotélescope est de 3,2 mètres, ce qui correspond à une résolution d’environ 4,6°. Nous avons donc réalisé des mesures tous les 5°. Cela nous a donné 19 mesures.

Chaque mesure nous a donné un fichier CSV dans lequel les deux premières colonnes sont les valeurs de fréquence et d’intensité du signal.

Pour calculer la vitesse de révolution du nuage de gaz observé autour du centre galactique, on a utilisé la vitesse radiale que l’on a calculée à partir de la fréquence observée grâce à l’effet Doppler-Fizeau, et on a pris en compte le déplacement de la Terre autour du Soleil, ainsi que la vitesse orbitale du Soleil, recommandée par l’UAI, soit 220 km/s.

Pour calculer le rayon de l’orbite de ce même nuage de gaz, on a utilisé le rayon de l’orbite du Soleil soit 8,5 kpc.

L’exploitation des 19 mesures a été faite grâce à un script Python, réalisé avec l’aide de l’IA, qui analyse les fichiers CSV téléchargés. Ce script permet d’afficher le spectre de chaque mesure, d’automatiser les calculs de vitesses et de rayon galactique, de sélectionner et mémoriser la fréquence choisie, pour pouvoir ensuite tracer la courbe de rotation de notre galaxie (exemples pour les longitudes 5° et 45° ci-dessous).

En faisant ces calculs pour toutes les observations aux différentes longitudes galactiques, on a ensuite pu tracer la courbe de rotation de la galaxie.

Nos mesures sont représentées sur le graphe ci-dessous par les points noirs. Les courbes sont issues de l’article scientifique de Ou et.al de 2023. 

On observe des difficultés à obtenir des mesures pour les petites longitudes, ce qui se traduit par des points très éloignés de la courbe du modèle. En revanche, pour les rayons galactiques supérieurs à 4 kpc, on constate une bonne cohérence entre nos mesures et le modèle.

On observe également qu’elle est plate entre 4 et 8,5 kpc. Normalement, la vitesse devrait diminuer avec la racine carrée du rayon. Pourtant, on constate qu’elle devient constante à partir d’environ 4 kpc. Cela correspond à ce que les astronomes ont constaté pour d’autres galaxies. 

Nous pouvons donc déduire de notre expérience que notre galaxie possède bien un halo de matière noire !

Concours "Ciel imagé, ciel imaginé, ciel représenté"

Dans le cadre de ce concours organisé par Astro à l'école, une action du dispositif ministériel "Sciences à l'école" qui a pour but de soutenir l’enseignement scientifique dans les collèges et lycées, nous avions deux productions à réaliser : une production scientifique et une production artistique. Le thème du concours pour 2026 était "L'astronomie et les instruments d'observation".

La production scientifique est notre courbe de rotation de la Voie Lactée, telle que décrite dans cet article. Elle a nécessité l'utilisation du radiotélescope, un instrument que nous n'avions pas encore utilisé.

La production artistique est un cyanotype représentant un radiotélescope, un instrument utilisé pour notre production scientifique, situé dans un paysage qu'on pourrait imaginer être celui d'un observatoire se trouvant en montagne.

Le cyanotype est un ancien procédé photographique inventé en 1842 par le scientifique et astronome anglais John Herschel. Il permet d’obtenir des images monochromes d’un bleu profond appelé « bleu de Prusse ». À l’origine, Herschel cherchait surtout un moyen simple de reproduire des documents et des notes scientifiques.

La botaniste et photographe anglaise Anna Atkins, amie de la famille Herschel, s’empara de cette technique pour réaliser des impressions de plantes et d’algues. Son ouvrage "British Algae : Cyanotype Impressions" (1843-1853) est aujourd’hui considéré comme le premier livre illustré par des photographies (elle fit don de son herbier « photographique » au British Museum en 1865).

La création d’un cyanotype est relativement simple. On prépare d’abord une solution photosensible à base de citrate d’ammonium ferrique et de ferricyanure de potassium. Cette solution est appliquée au pinceau (ou à l’éponge) sur du papier, du tissu ou même du bois. Pour notre cyanotype, nous avons utilisé du papier aquarelle pour le support, et la solution a été appliquée avec un pinceau mousse.

Le support est ensuite laissé à sécher à l’abri de la lumière. Une fois le support sec, on place dessus un objet, une plante, un négatif photographique ou tout autre éléments opaques. En ce qui nous concerne, nous avons découpé des caches en papier épais Canson pour former des montagnes, des étoiles, un sol et surtout un radiotélescope (Emma a passé 2h30 pour découper la forme très détaillée de cet instrument !).

La pose des caches a été faite en s’éclairant avec une lampe frontale rouge, couleur qui ne fait pas réagir la solution déposée sur le support (elle réagit aux UV proches).

L’ensemble est ensuite exposé à la lumière du soleil ou à une lampe UV. Nous avons utilisé une lampe UV pour plus de praticité.

Les parties exposées à la lumière deviennent bleu foncé grâce à la réaction chimique des sels de fer, tandis que les zones protégées restent claires. Nous avons placé sur le support les caches du radiotélescope, du sol et des étoiles avant d’exposer le support à la lumière UV. Si on expose seulement en partie certaines zones du support, cela permet de créer plusieurs plans pour donner une impression de profondeur.

C’est la procédure que nous avons suivie pour placer les caches des montagnes de l’arrière-plan, au bout de :

• 45s pour la première montagne, celle qui apparaîtra en avant-plan ;
• 1min15s pour la montagne au deuxième plan ;
• 1min45s pour la troisième ;
• 2min pour la dernière.

Cependant, nous avons dû faire plusieurs essais pour trouver les bons temps d’exposition pour les différentes parties. Et nous avons également testé plusieurs compositions avant de choisir celle qui nous plaisait le plus.

Après l’exposition, qui pour notre cyanotype a duré au total 4 minutes, il suffit de rincer l’image à l’eau claire pour éliminer les produits non révélés (qui sont jaunâtres).

En séchant, l’image prend sa couleur bleue caractéristique.

La technique du cyanotype relie l’histoire de la photographie, l’expérimentation scientifique et la création artistique. Nous avons pensé que c’était une bonne idée de l’utiliser pour réaliser notre œuvre artistique pour le concours d’Astro à l’École, pour plusieurs raisons :

• le cyanotype a été inventé par un astronome, John Herschel ;
• sa technique utilise le rayonnement UV, comme un « clin d’œil lumineux » au rayonnement radio, situé de l’autre côté du domaine visible sur le spectre du rayonnement électro-magnétique, et que nous avons utilisé pour réaliser la courbe de rotation pour notre production scientifique ;
• l’instrument représenté sur notre cyanotype, un radiotélescope, fait également écho à notre production scientifique.

Nous avons pris beaucoup de plaisir à réaliser cette œuvre artistique ! Elle a été dédicacé par les élèves du club (Anouk, Julie, Ivan, Juliette, Théo et Emma) et offert à l'Observatoire de Paris lors de la visite à Paris le 26 mai 2026.

Résultats du concours : https://www.sciencesalecole.org/resultat-du-concours-d-images-astronomiques-2026/

Concours "Découvrir l'Univers" 2026

Dans le cadre de ce concours organisé par la Société Française d’Astronomie et d’Astrophysique (SF2A), nous avons créé une vidéo expliquant le déroulement de notre expérience. Vous pouvez la retrouver ci-dessous en pièce jointe.