Conversion de Térahertz en Nanohertz

Informations sur le Térahertz (THz)

Le térahertz est une unité de fréquence valant mille milliards de hertz. Son symbole est THz. Il occupe l’intervalle entre les fréquences radio les plus hautes et la lumière infrarouge la plus basse, région qui, pendant l’essentiel du XXe siècle, fut si difficile à produire ou à détecter qu’on l’appela le fossé térahertz.

La difficulté était pratique et non théorique. Les oscillateurs électroniques s’essoufflent au-delà de quelques centaines de gigahertz parce que les porteurs de charge ne répondent pas assez vite, tandis que les sources optiques telles que les lasers perdent leur rendement en dessous de l’infrarouge. La bande intermédiaire ne disposait d’aucune technique commode de part ni d’autre, et elle fut pendant des décennies la portion la moins explorée du spectre électromagnétique.

Cela a changé avec les lasers ultrarapides et les antennes photoconductrices, qui produisent des impulsions térahertz en éclairant un semi-conducteur avec une impulsion laser de quelques femtosecondes. La spectroscopie térahertz dans le domaine temporel mesure aujourd’hui la réponse des matériaux sur toute la bande, et la technique est devenue un outil courant en science des matériaux.

Le contrôle de sûreté est l’application la plus connue. Le rayonnement térahertz traverse les vêtements, le papier, le plastique et les céramiques mais est arrêté par le métal et absorbé par l’eau, et son énergie par photon est bien trop faible pour ioniser quoi que ce soit : il peut donc imager des objets dissimulés sans les risques des rayons X. Les scanners corporels des aéroports fonctionnent sur ce principe.

La spectroscopie moléculaire emploie la bande parce que bien des grosses molécules y possèdent des modes de rotation et de vibration. Les explosifs et les stupéfiants présentent des signatures térahertz caractéristiques, et la technique sert au contrôle qualité pharmaceutique pour distinguer des formes cristallines que d’autres méthodes rendent identiques. La conservation des œuvres d’art l’applique pour voir sous les couches de peinture sans toucher une toile.

L’astronomie observe à ces fréquences depuis des sites élevés et secs ou depuis l’orbite, car la vapeur d’eau atmosphérique absorbe fortement le rayonnement térahertz. La poussière froide et le gaz moléculaire des régions de formation stellaire rayonnent ici, d’où la construction d’observatoires en altitude au Chili et au pôle Sud.

La recherche en télécommunications a commencé à entrer dans la bande. Les débits croissent avec la largeur de bande disponible, et il y a bien plus de place au-dessus de 100 gigahertz qu’au-dessous : des laboratoires ont donc démontré des liaisons sans fil portant des centaines de gigabits par seconde à des fréquences approchant le térahertz. L’obstacle est que la vapeur d’eau absorbe fortement ces ondes, bornant une liaison à quelques centaines de mètres par air clair et à bien moins sous la pluie. Cela confine la technique à de courts sauts : liaisons entre antennes de toiture, liens à l’intérieur d’un centre de données, ou le dernier tronçon entre un candélabre et un immeuble, plutôt que quoi que ce soit ressemblant à une diffusion.

Un térahertz équivaut à mille milliards de hertz, à 1000 gigahertz ou à une longueur d’onde d’environ 0,3 millimètre.

Informations sur le Nanohertz (nHz)

Le nanohertz est une unité de fréquence valant un milliardième de hertz. Son symbole est nHz. Un nanohertz vaut un cycle par milliard de secondes, un peu moins de trente-deux ans : une seule oscillation à cette fréquence dure donc plus longtemps que la plupart des carrières.

Presque rien ne l’emploie, puis en 2023 elle est devenue l’une des unités les plus commentées de la physique. Plusieurs collaborations de réseaux de chronométrage de pulsars, travaillant indépendamment sur quatre continents, ont rapporté des indices d’un fond d’ondes gravitationnelles dans la bande du nanohertz. Le signal semble provenir de couples de trous noirs supermassifs en orbite l’un autour de l’autre au centre de galaxies fusionnées, tout au long de l’histoire de l’univers.

La technique de mesure est remarquable. Les pulsars milliseconde sont des étoiles à neutrons qui tournent des centaines de fois par seconde et émettent un faisceau balayant la Terre avec une régularité extraordinaire, rivalisant avec les horloges atomiques. Une onde gravitationnelle traversant la galaxie étire et comprime l’espace entre la Terre et chaque pulsar, modifiant les temps d’arrivée des impulsions de quelques centaines de nanosecondes. En surveillant des dizaines de pulsars pendant vingt ans et en cherchant un motif précis de corrélation entre eux, les astronomes détectent des ondes dont la longueur se mesure en années-lumière.

Aucun instrument ne pourrait fonctionner autrement à ces fréquences. Un détecteur doit avoir une taille comparable à la longueur d’onde recherchée, et une onde gravitationnelle d’un nanohertz a une longueur de plusieurs dizaines d’années-lumière. La galaxie elle-même est l’appareil, et les pulsars en sont les repères.

L’unité n’apparaît ailleurs que dans les plus lents des cycles naturels. La précession de l’axe terrestre prend environ 26 000 ans, soit à peu près 1,2 nanohertz. Les variations orbitales d’excentricité, d’obliquité et de précession qui rythment les glaciations, les cycles de Milankovitch, s’étendent d’environ 0,5 nanohertz jusqu’au dixième de cette valeur.

En dessous du nanohertz, la notion de fréquence devient contrainte, car rien n’a été observé assez longtemps pour voir un cycle entier, et la valeur se déduit de la théorie au lieu d’être comptée.

Un nanohertz équivaut à 0,000000001 hertz, à un cycle par milliard de secondes ou à 0,001 microhertz.