antennes

L'aube cosmique nous est cachée par un épais voile de temps. Pour voir derrière, il faut capter le signal radio des nuages d'hydrogène neutre — le fameux signal global à 21 cm. Mais il est si faible que le bruit propre du récepteur le submerge.

Frappez une table, et le son s'éteint rapidement. Les ondes élastiques dans les solides se comportent généralement comme des ronds dans l'eau : elles se propagent depuis la source et s'amortissent. Mais il existe un moyen de les faire rester sur place : créer une « bande plate » dans le spectre des fréquences.

Les ondes radio s'étouffent dans le sol après quelques mètres à peine. Mais le champ magnétique le transperce de part en part, comme un pont invisible. C'est sur ce pont que repose la communication dans les mines et les grottes.

Un miroir peut maintenir le faisceau réfléchi sur un point fixe, même en tournant. Les ingénieurs ont appliqué ce principe aux ondes radio en créant un miroir intelligent sur un drone. Il compense les secousses et les vibrations en temps réel : il prédit les mouvements de l'appareil et se réajuste instantanément pour que le signal reste net.

Les signaux radio dans une pièce se comportent comme le son dans une salle de concert : en se réfléchissant sur les murs et les objets, ils créent une empreinte unique — la mélodie silencieuse de chaque lieu. Le téléphone, telle une oreille attentive, capte cette mélodie dans le bruit et les distorsions. Il mémorise quel accord correspond au coin du canapé, et lequel à l'embrasure de la porte.

Un émetteur radio à plusieurs antennes, c'est un peu comme une baignoire alimentée par plusieurs robinets. Si les jets partent dans des directions différentes ou avec des pressions inégales, une partie de l'eau s'écoule par le trop-plein – de même, le signal se disperse sans atteindre le récepteur.

Le principe repose sur un rail le long duquel se déplacent des antennes-pinces, chacune émettant un signal radio. Le smartphone les capte et, connaissant la vitesse de la lumière, calcule la distance qui le sépare de l'antenne grâce au délai de propagation.

Jetez une pierre dans l'eau : près du point d'impact, les vagues sont chaotiques — c'est le champ proche. Plus loin, elles s'étalent en cercles réguliers — le champ lointain. Ce même principe régit les antennes pour la communication térahertz, l'avenir de l'Internet ultra-rapide.

Le système d'antennes-pinces ressemble à un tuyau d'arrosage percé. Dans le câble guide d'ondes, on crée des points d'émission d'où les ondes radio jaillissent comme l'eau d'un trou. Les obstacles sur le chemin bloquent la communication directe, mais les signaux réfléchis peuvent contourner la barrière.

Un panneau intelligent pour contrôler les ondes radio qui se déplacent à la vitesse de la lumière fonctionne comme un orchestre : des centaines d'éléments miniatures, véritables « instruments », modifient leur phase (le moment où ils entrent en jeu) sur commande via une tension.

En ville, le signal rebondit entre les murs comme une balle, et le téléphone capte des dizaines de ces « réflexions » — des échos. Chaque microseconde de retard ajoute 300 mètres au trajet. La vitesse du signal est constante, comme celle de la lumière (vitesse de la lumière).

La station de base émet des ondes radio. Sans embout spécial, l'antenne agit comme un tuyau d'arrosage ouvert à fond : l'eau part dans tous les sens, mais seule une petite partie atteint les plates-bandes. Des scientifiques ont créé un système avec deux réseaux de neurones.

Lors de la conception d'antennes pour smartphones, les ingénieurs ont besoin d'une référence — un peu comme un diapason pour accorder des instruments de musique.

Les appareils sans fil remplissent les ondes de signaux qui se mélangent dans un chaos – comme si, dans une pièce, tout le monde parlait en même temps. Des scientifiques ont proposé une solution : des panneaux intelligents qui rappellent les panneaux acoustiques.

Dans le silence absolu, il faut entendre tomber un duvet. Mais quelqu'un froisse sans cesse un sac en plastique. Pour l'observatoire spatiale LISA, ce « froissement » sera causé par les particules chargées venues de l'espace.

Quand il faut observer l'intérieur du cerveau, on allonge généralement le patient dans le tube exigu d'un appareil d'imagerie par résonance magnétique, ou on l'expose aux rayons X d'un scanner. Ces deux méthodes sont coûteuses, encombrantes et pas toujours disponibles.

Les ondes gravitationnelles sont les frémissements de l'espace provoqués par les fusions de trous noirs et d'étoiles à neutrons.

Dans les années 1960, le physicien Joseph Weber tentait déjà de capturer les ondes gravitationnelles à l'aide de cylindres en aluminium, qui devaient vibrer comme des diapasons sous l'effet des ondulations de l'espace-temps.

L'ionosphère, à 70 kilomètres d'altitude, agit comme un miroir géant pour les ondes radio. Les antennes terrestres y envoient en permanence un signal et écoutent la réflexion.

Chaque voyelle correspond à une forme particulière de la bouche, de la langue et du pharynx. Lorsqu'on prononce « a », « i » ou « u », ce n'est pas seulement l'air qui change à l'intérieur de la tête, mais aussi la façon dont les ondes radio la traversent.

Une enveloppe postale ordinaire a une forme rectangulaire, et la lettre qu'elle contient ne change pas les propriétés de l'enveloppe. Avec les photons – les particules de lumière – la situation est différente : leur « forme » dans le temps peut varier, et cette forme porte en elle-même de l'information.

Un réseau d'antennes classique, c'est un peu comme une chorale : beaucoup de voix chantent à l'unisson et le son ne s'amplifie que dans une seule direction. Pour capter un signal venant d'un autre côté, il faut réorganiser toute la chorale. Imaginez maintenant qu'une seule voix puisse modifier son timbre de telle sorte que le son se dirige tout seul dans la bonne direction.

Une antenne ordinaire capte les ondes radio, mais il existe des champs qu'elle perçoit à peine. Il s'agit des champs électriques lents, qui varient une fois par seconde ou moins. Pour eux, des physiciens ont construit un capteur à partir d'un faisceau d'atomes de rubidium.

Un tapis est bien étendu, mais si on le pousse par le bord, des plis se forment. Dans une fine couche de sulfure de tantale (1T-TaS2), les plis d'électrons — les ondes de charge — se figent, comme si le tapis était collé au sol. Pour les déplacer, il faut exercer une force. Des scientifiques ont trouvé un moyen de contrôler cette force à l'aide d'un champ électrique et d'un aimant.

La recharge sans fil dans une pièce, c'est comme une piscine : l'énergie-eau est éclaboussée partout, et les minuscules capteurs-flotteurs bougent à peine. Leurs bobines sont trop petites pour puiser dans le champ répandu. L'énergie ne voyage pas à la vitesse de la lumière comme les ondes radio ; elle attend d'être collectée.

Les ondes radio qui oscillent moins d'une fois par seconde traversent la terre et l'eau presque sans perte. De tels signaux sont utilisés pour communiquer avec les sous-marins et pour la prospection minière. Mais une antenne classique devrait mesurer des centaines de mètres pour les capter, et sa sensibilité laisse à désirer.

Dans une petite boîte en cuivre, de la taille d'une boîte d'allumettes, vivent des ondes magnétiques. Elles naissent dans un minuscule cristal de grenat de fer et d'yttrium lorsqu'on y envoie des ondes radio. Deux ondes de caractères différents – l'une rapide, l'autre lente – ne se remarquent généralement pas.

Le son à la surface d'un cristal, c'est comme des rides sur l'eau, mais qui courent sur un solide. Ces rides s'appellent des ondes acoustiques de surface : elles se déplacent cent mille fois plus lentement que la lumière, ce qui permet de les comprimer en de très courts segments et de les loger sur une puce minuscule.

Deux lampes sur une rive lointaine, la nuit, se fondent en une seule tache de lumière. De même, une antenne plate ordinaire ne peut pas distinguer deux émetteurs radio trop proches l'un de l'autre : leurs signaux se mélangent et le récepteur ne perçoit qu'un brouet confus.

Dans l'épaisseur de la glace antarctique, à des profondeurs où la lumière du soleil ne parvient jamais, des antennes sont suspendues. Elles n'écoutent pas des sons, mais des ondes radio – et attendent le signal d'une particule presque impossible à attraper.

Un signal micro-onde qui ne tremble pas à cause des interférences est indispensable en radar comme en télécommunications. Jusqu'ici, on obtenait un signal pur avec des installations encombrantes, où lasers et résonateurs trônaient sur une table optique.

Une même explosion peut sonner différemment — tout dépend de la direction du vent. En 2024, des chercheurs ont fait exploser deux charges équivalentes à dix tonnes de TNT et enregistré le son avec un réseau de 31 microphones répartis dans un rayon de 23 kilomètres. La source était identique, mais les paysages sonores étaient très différents.

Un récepteur radio classique capte les ondes avec une antenne métallique. Ici, l'antenne est un atome unique dont l'électron est placé sur une orbite très lointaine – comme un satellite sur une orbite haute autour de la Terre. Ces atomes sont appelés atomes de Rydberg.

Un ruban de graphène large de neuf atomes est une piste sur laquelle les électrons courent comme l'eau dans un étroit canal. Les rayons gamma sont un flux de particules à très haute énergie, capables de traverser le métal et le plastique.

Les ondes gravitationnelles sont des ondulations de la courbure de l'espace-temps qui étirent et compriment imperceptiblement tout sur leur passage. Mais la Lune, telle une cloche, capte ces ondes : lorsqu'une onde gravitationnelle la traverse, elle fait vibrer notre satellite.

Le four à micro-ondes réchauffe les aliments, mais ce circuit, lui, capte l'énergie des ondes radio. Des ingénieurs ont construit un redresseur qui transforme des micro-ondes de 5,8 GHz en courant continu. La grande nouvelle : il ne contient aucun condensateur — ces petits accumulateurs de charge que l'on trouve habituellement dans tous les redresseurs.

Dans une chambre à enclumes de diamant, la pression comprime la matière comme si elle était enfouie à des centaines de kilomètres sous la surface de la Terre. À l'intérieur de cette chambre, de minuscules capteurs en diamant — les centres colorés — réagissent aux micro-ondes et révèlent les champs magnétiques et la température environnants.

La Lune n'est pas qu'une boule de pierre, c'est une cloche géante. Lorsque les ondes gravitationnelles la traversent, elle se met à vibrer imperceptiblement.

La Lune n'est pas seulement un satellite, c'est une cloche gravitationnelle en puissance. Lorsque des corps massifs entrent en collision, l'espace-temps tremble, et ce tremblement, les ondes gravitationnelles, fait vibrer tout ce qu'il rencontre.

À 8,58 mégaparsecs de nous, la galaxie spirale M51 enroule ses bras, tandis que le radiotélescope VLA, dans sa configuration la plus étendue, l'observe avec une résolution de 0,16×0,14 seconde d'arc. C'est comme si, depuis la Terre, on distinguait une pièce de monnaie à la surface de la Lune.