La Lumière

En astronomie, la lumière est d'une importance capitale. En effet, c'est elle qui nous renseigne sur les étoiles et les objets que nous observons dans le ciel. Il est donc essentiel d'en connaître ses principales caractéristiques afin de mieux la comprendre et l'exploiter. Une onde électromagnétique est une variation périodique de champ électrique et magnétique. La lumière visible est constituée d'un grand nombre de longueurs d'onde faisant intégralement partie du "spectre électromagnétique". Regardons ce dernier dans sa totalité :

Au centre du schéma ci-dessus, nous pouvons voir les couleurs de l'arc-en-ciel. C'est la lumière "visible", celle que nos yeux nous permettent de voir directement. Isaac Newton en 1664 la décomposa à l'aide d'un prisme de verre. Nous l'appelons "lumière blanche" car l'addition de toutes ses couleurs en forment une seule qui semble incolore ou blanche. C'est la lumière émise par le Soleil. Cette notion de couleur est due à la température d'un corps. Chauffons par exemple une barre de fer. Petit à petit elle deviendra rouge, puis orange, puis blanche. La température se mesure en degrés Kelvin, en sachant que : 0° K = -273°C . Un corps émet de l'énergie. Selon qu'il soit chaud ou froid le spectre d'énergie émis favorisera plutôt les rayons bleus ou rouges respectivement. C'est l'origine de la couleur des étoiles. De part et d'autre existent d'autres rayonnements : des rayons gamma, les plus énergétiques, aux rayons radio, les moins énergétiques. Le dessin montre une coube ondulée. Elle représente "les ondes". La fréquence correspond au nombre d'ondes émises en une seconde, et la longueur d'onde est la distance entre deux maxima (ou minima). On dit que la lumière est de nature ondulatoire. C'est en quelque sorte sa façon de se propager.(Voir schéma ci-dessous).Mais elle est également corpusculaire. C'est-à-dire qu'elle est constituée de particules que l'on appelle "photons". On doit cette théorie à Albert Einstein, au début du 20e siècle. Le photon est de masse nulle mais il transporte de l'énergie à la vitesse d'environ 299 793 km/seconde dans le vide. Cette vitesse est notée "c" (pour célérité). La célérité c d'une onde est définie par l'expression: c = d/t : d est la distance parcourue pendant la durée t. En astronomie on utilise très souvent "L'année de lumière" (a.l.) comme unité de distance. Elle vaut : 9 460 milliards de kilomètres. Comme son nom l'indique, c'est la distance que parcourt la lumière en une année.

Agrandissons maintenant le spectre de la lumière visible:

Nous voyons bien les couleurs allant du violet au rouge en passant par le bleu, le vert et le jaune. Nous distinguons également de nombreuses raies. Certaines sont très brillantes tandis que d'autres au contraire, sont très sombres.

Les premières sont dites "raies d'émission" et les secondes "raies d'absorption". Elles correspondent à la signature spectrale d'un élément chimique à une longueur d'onde donnée. C'est ainsi que, par exemple, dans le rouge apparaît une raie très sombre. C'est la raie H Alpha de l'hydrogène dont la longueur d'onde est de 6563 angström ou 656,3 nanomètres. L'angstrom est une unité de longueur utilisée par les spectrométriste. On la note par la lettre Å. La relation entre l'angstroms et le nanomètre est : 1 Å= 0,1 nm. Le milieu du spectre visible correspond ainsi à une longueur d'onde de 5700 angströms environ.

Les raies présentes dans les spectres s'expliquent par le caractère discontinu des phénomènes physiques lorsqu'on les considère à l'échelle microscopique, et plus spécialement à l'échelle des atomes. Ceux-ci possèdent un ou plusieurs électrons qui gravitent autour de leur noyau selon des orbites définies. Le changement d'orbite d'un électron émet ou absorbe de l'énergie. C'est ce phénomène qui est à l'origine des raies. Un électron peut passer de l'orbite 3 à l'orbite 4 ou directement de l'orbite 2 à l'orbite 4 (ou inversement), et ainsi de suite. A chacune de ces combinaisons est associée une raie spectrale spécifique dans le spectre.

Ci-dessus, nous avons de haut en bas : un spectre continu, un spectre d'émission et un spectre d'absorption.

En réalisant le spectre d'un objet ou d'une étoile, on peut donc connaître ses composants. Et à partir de là, il sera possible de découvrir bien d'autres caractéristiques de cet objet.

Lois de Kirchoff :

1- Un gaz à pression élevée, un liquide ou un solide, s'ils sont chauffés, émettent un rayonnement continu qui contient toutes les couleurs.

2- Un gaz chaud à basse pression, émet un rayonnement uniquement pour certaines couleurs bien spécifiques : le spectre de ce gaz présente des raies d'émission.

3- Un gaz froid à basse pression, s'il est situé entre l'observateur et une source de rayonnement continu, absorbe certaines couleurs, produisant ainsi dans le spectre continu, des raies d'absorption. Ce gaz absorbe les mêmes couleurs qu'il émettrait s'il était chaud.

Mais nous avons vu précédemment que le spectre électromagnétique possédait une large gamme d'ondes. Regardons-les de plus près : Les rayons gamma : Ce sont les plus énergétiques. Ils sont dus à des réactions nucléaires qui entraînent d'incroyables explosions dans l'univers. Des sondes spatiales comme la sonde européenne " Intégral " les étudient. Les rayons X : Ils ont été découverts en 1895 et ont la propriété de traverser notre corps. La radiographie médicale en est une de ses applications. Les rayons ultraviolet : Cette lumière que nos yeux ne peuvent voir provoque une réaction chimique sur notre peau et le bronzage en est le résultat. Certains de ces rayons peuvent être très dangereux. Les rayons infrarouge : leur énergie est relativement faible. Ils sont principalement utilisés en restauration et à des fins militaires pour voir de nuit. Certains de nos caméscopes permettent également cette vision nocturne. Les micro-ondes : Dans nos cuisines beaucoup d'entre nous possèdent un four micro-onde. Ces ondes ont une très faible énergie. Elles ont la propriété d'exciter les molécules d'eau contenuent dans nos aliments, qui entrent alors en résonance ce qui a pour effet d'augmenter la température. Les ondes radio : Ces ondes lumineuses sont codées pour se transformer en son ou en image. Bien entendu, ces différents domaines réclament un matériel spécifique pour être étudié.

La spectroscopie :

Il est relativement facile de décomposer la lumière visible et même d'y étudier certaines raies d'émission et d'absorption. Pour cela, il nous faut un spectroscope. De quoi s'agit-il ?

Un spectroscope comprend plusieurs accessoires : Tout d'abord un réseau. Il s'agit d'un support sur lequel sont gravés ou imprimés des traits parallèles dont le nombre peut varier de 100 à 4 000 par mm. Un réseau peut être à transmission (dans ce cas il est transparent) ou à réflexion (de meilleur qualité). Son rôle est de disperser la lumière. Ensuite il faut une fente. Celle-ci peut être constituée avec deux lames de rasoir très rapprochées. Leur bord devra être parfaitement nets. C'est elle qui sélectionnera une partie de la source pour empêcher le plus possible le chevauchement des raies. Une lentille collimatrice permettra de rendre le faisceau sortant de la fente, parallèle. Enfin, un récepteur (appareil photographique, webcam ou caméra CCD) enregistre le spectre. Ci-dessous, un schéma simplifié de spectrographe :

Une caractéristique importante d'un spectrographe sera sa capacité à séparer des raies proches les unes des autres, afin de mieux distinguer la signature des différents éléments chimiques qui constituent l'objet observé. C'est en quelque sorte la même chose que le pouvoir de séparation de nos télescopes. La qualité du réseau est donc importante. De plus, lorsqu'une source lumineuse l'éclaire, sa lumière est diffractée de telle sorte qu'ils se forment plusieurs spectres que l'on appelle "ordre" comme le montre la figure ci-dessous :

Si le faisceau incident est perpendiculaire au réseau, la dispersion est : sinq2 = n.k.l - sinq1 avec :

q2 : angle du faisceau de sortie avec la perpendiculaire du réseau.

n : nombre de traits du réseau.

l : longueur d'onde.

k : ordre du spectre.

L'ordre 0 correspond directement à la source, autrement dit, pas de spectre. L'ordre 1 est bien lumineux mais les raies sont resserrées les unes des autres. L'ordre 2 est plus étendu mais moins lumineux, et ainsi de suite. Plus l'ordre est élevé, plus on perd de luminosité. Pour éviter ce problème il existe des réseaux dont la gravure des traits possède un profil particulier, dit à échelette, qui permet de concentrer un maximum de lumière dans un ordre donné, et même dans une certaine région spectrale de cet ordre. On appelle cela le "blaze" du réseau. Par exemple l'expression "blazé à 5000 angstroms pour l'ordre 1" signifie que le réseau concentre un maximum d'énergie dans l'ordre 1 autour de la longueur d'onde de 5000 angstroms. Ces réseaux sont presque toujours "à réflexion".

Ils se présentent comme suit (photo extraite du catalogue Edmund Optics - www.edmundoptics.com) :

 

Voici à quoi peut ressembler un spectrographe d'amateur et avec lequel a été réalisé le premier spectre montré dans cet article :

Quelques notions :

La réfraction, c'est la déviation de la direction de propagation d'une onde lorsque celle-ci change de milieu. Plus généralement, la réfraction a lieu lors d'un changement d'impédance du milieu, lorsque la vitesse de l'onde change entre deux milieux. La lumière change de direction lorsqu'elle passe d'un milieu transparent à un autre (par exemple : de l'air à l'eau, ou le contraire...). C'est ce phénomène qui permet d'expliquer pourquoi lorsque l'on observe une paille dans un verre, celle-ci paraît brisée. Cette fracture (vers le haut) apparente est à l'origine du mot réfraction. La lumière est dite réfractée et la propriété qui caractérise les différents milieux transparents est la réfringence, qui se traduit par une valeur numérique : l'indice de réfraction.

La réflexion est le brusque changement de direction d'une onde à l'interface de deux milieux. Après réflexion l'onde reste dans son milieu de propagation initial. Ce phénomène se rencontre pour différents types d'ondes.

Au-delà d'une certaine inclinaison, les rayons ne franchissent plus le dioptre : ils sont réfléchis

La surface renvoie une partie des ondes lumineuses dans un angle égal au rayon incident (rayon qui arrive sur la surface). L'angle de réflexion est égal à l'angle du rayon incident (a = b). Cette surface est perceptible par l'oeil parce qu'elle réfléchit de la lumière.

Corps noir. - Corps théorique entièrement absorbant qui réémet l'énergie au fur et à mesure qu'il l'absorbe de telle sorte qu'un équilibre est établi. Cet équilibre peut être caractérisé par une température, qui détermine la distribution du rayonnement réémis (rayonnement dit de corps noir). Le spectre de ce rayonnement obéit à la loi de Planck. (Max Planck, physicien allemand, est né le 23 Avril 1858 à Kiel). il émet l'hypothèse qu'il n'existe que des niveaux d'énergie déterminés par une constante universelle, le quanta énergétique. Ce que nous connaissons aujourd'hui sous le nom de Constante de Planck. L'équation résultante s'écrit e=hv. La dimension des éléments d'énergie e dépend de la constante universelle h et de la fréquence v du rayonnement. La constante de Planck vaut 6.626x10-34 J.s.

Spectre du Soleil à haute résolution entre 400 et 700 nm, obtenu avec le spectrographe du télescope MacMath de l'observatoire Kitt Peak en Arizona.

 

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