L'astronomie enseignée aux enfants

La lumière et les autres rayonnements

Qu'est-ce que la lumière ?

La lumière est quelque chose de très spécial, très loin en réalité de ressembler à ce que les gens imaginent... On représente la lumière sous la forme d'une onde comme le son de la radio mais qui se déplace beaucoup plus vite, de l'ordre de 300000 km/s dans le vide, soit 1 milliard de km/h !, alors que le son ne se déplace dans l'air qu'à 300 m/s (1080 km/h soit Mach 1 comme le disent les pilotes d'avion). C'est ce phénomène qui explique par exemple pourquoi tu vois immédiatement les éclairs (la lumière) durant un orage alors que le son n'arrive que plusieurs secondes plus tard. Même chose si tu vois une personne couper du bois à 150 m de distance; tu verras son geste mais tu n'entendras le coup de hache qu'une demi-seconde plus tard.

Ce décalage entre ce que tu vois et ce que tu entends est un phénomène déroutant car dans la vie de tous les jours ce phénomène ne se voit pas puisque tous les objets sont situés tout près de toi. En réalité il a toujours un décalage entre l'image et le son que tu perçois mais plus la distance augmente plus le décalage est important et saute aux yeux !

La force de la lumière

On pourrait écrire des livres entiers sur la lumière tellement elle pose de questions et demeure mystérieuse, ce qui la rend très intéressante Voici encore deux exemples. Tu penses sans doute comme tout le monde qu'on ne peut pas utiliser la lumière comme on utilise un jet d'eau et qu'on ne peut pas réellement la toucher. Or Einstein nous a appris qu'elle contient de l'énergie et qu'elle pouvait exercer une force sur les objets. On appelle cette force la pression de radiation. Elle est bien sûr très faible.

Ainsi dans l'espace les astronomes peuvent déployer des grandes voiles de plusieurs kilomètres de côté et s'en servir pour voyager, sans moteur, comme le fait un bâteau à voile. Comment ? En fait la lumière du Soleil, les photons, frappent la voile et peuvent la pousser très doucement. On peut ainsi utiliser la lumière pour voyager entre les planètes... Ce mode de propulsion ne fonctionne pas dans l'atmosphère car l'air et le vent soufflent plus fort que la pression des photons.

On peut aussi faire passer la lumière dans de fins tubes en verre (fibre optique) et l'utiliser pour éclairer des objets décoratifs ou des endroits inaccessibles. On se sert également de la fibre optique en informatique ou pour relier l'Amérique et l'Europe par téléphone car ces cables peuvent transmettre beaucoup plus de signaux, des milliers de fois plus qu'un cable en cuivre ordinaire.

Le spectre électromagnétique

La lumière et les ondes en général ont beaucoup d'applications pratiques : on les utilise dans les panneaux solaires pour produire de l'électricité, dans les fours solaires pour produire de la chaleur ou encore dans les amplificateurs d'images pour rendre les images plus lumineuses la nuit. D'autres types de rayonnement (infrarouge, UV, X, gamma) sont utilisés en astronomie pour détecter des objets invisibles ou en médecine pour "voir" l'intérieur du corps humain. On y reviendra.

La lumière peut-être chaude ou froide, pâle ou brillante, en fonction de son énergie et de son intensité. Quand les physiciens parlent de la lumière de manière générale, ils ne considèrent pas seulement la lumière visible mais également les rayons invisibles comme les ultraviolets ou les infrarouges. Certains parlent même de "lumière X" quand ils parlent des rayons X comme ceux utilisés dans les hôpitaux pour réaliser les radiographies du squelette.

Ci-dessus une onde se propageant dans un plan. En réalité elle se déplace dans les trois dimensions. Cette onde peut représenter de la lumière, le son émis par une radio ou la parole, en fait n'importe quel rayonnement électromagnétique.

Pour éviter de mélanger la vrai lumière visible avec les autres types de rayonnements, il est préférable de parler de rayonnement électromagnétique. L'ensemble de toutes ces ondes forme le spectre électromagnétique. En partant des basses vers les hautes énergies, des petites vers les hautes fréquences, le spectre électromagnétique comprend les ondes radios, infrarouges, la lumière, les rayons ultraviolet, X et gamma.

Quels sont les effets des autres types de rayonnements ? Lorsque tu as pris un coup de Soleil, la surface de ta peau a absorbé des rayons ultraviolets. Tu ne les vois pas, mais ils t'ont brûlé la peau ! Cela confirme une nouvelle fois que ce rayonnement transportait de l'énergie. Ils sont très dangereux et dans certains cas, si ta peau accumule trop d'énergie cela peut entraîner des maladies graves comme le cancer.

La couche d'ozone qui entoure la Terre nous protège de ses effets néfastes mais depuis quelques années, suite à la pollution de l'air et l'utilisation des bombes aérosols (sprays), cette couche protectrice s'amincit et disparaît même parfois localement comme nous l'avons observé au-dessus de l'Antarctique. Cette situation est inquiétante et peut provoquer à terme la mort des animaux car ils ne peuvent pas se protéger avec des lunettes et des crèmes solaires !

Heureusement pour nous, l'atmosphère de la Terre agit comme un filtre et nous protège contre une partie des rayons ultraviolets les plus intenses et surtout des effets mortels des rayonnements X et gamma qui sont émis par le Soleil et certaines étoiles.

De l'autre côté du spectre se trouve le rayonnement infrarouge. C'est un rayonnement qui n'émet pas de la lumière mais de la chaleur. Elle est indispensable à la vie sur Terre car sans la chaleur du Soleil et sans l'atmosphère, il ferait -15°C sur Terre au lieu de +15°C !

La radio et la télévision utilisent des ondes radio, dites hertziennes. Elles sont tellement grandes (une longueur d'onde de plusieurs mètres ou km) que les plus longues ne sont pas sensibles aux obstacles. On les utilise pour transporter des sons et des images, ce sont les émissions que tu captes.

Comment capturer l'énergie du Soleil ?

La lumière du Soleil transporte de l'énergie. Si tu es bricoleur, tu te demandes peut-être s'il est possible de récupérer cette énergie et de l'utiliser par exemple pour se chauffer ou faire tourner un moteur ?

Bien sûr, on peut le faire ! Et c'est même très intéressant si on veut préserver la Terre de la pollution. En effet, les stocks de pétrole ou de charbon sont en train de s'épuiser et un jour ou l'autre, dans moins de 100 ans, il faudra bien trouver une autre source d'énergie pour faire avancer les voitures et faire fonctionner les usines.

De la même manière qu'on utilise le charbon (et le pétrole) pour nous chauffer et le vent (les éoliennes) ou l'eau (centrales marées motrices) pour créer de l'électricité, on peut capter l'énergie solaire pour produire de l'électricité et alimenter tous les appareils électroménagers et domestiques que tu as à la maison, voire même alimenter les voitures. Mais à une condition : utiliser des panneaux solaires qui par réaction chimique avec le silicium vont produire de l'électricité qu'il suffira ensuite de stocker dans des batteries.

Ce système ne produit pas beaucoup d'électricité si on utilise de petites installations mais il offre l'avantage d'offrir une énergie qui ne pollue pas, qui ne fait aucun bruit et gratuite, à condition d'avoir du Soleil.

Element d'un panneau solaire.

Actuellement, l'énergie solaire est surtout utilisée dans les pays pauvres où il y a beaucoup de Soleil. Elle sert aussi à produire de l'électricité pour les satellites en orbite autour de la Terre et accessoirement on l'utilise sur des voitures solaires ainsi que pour fournir de l'électricité à des habitants isolés qui installent des panneaux solaires sur le toit de leur maison.

L'année-lumière pour remonter dans le temps

Puisque nous parlons de lumière, la vitesse de la lumière est utilisée en astronomie pour évaluer la distance des astres, principalement des étoiles et des galaxies. Prenons un exemple. Tu sais que telle personne habite à 200 m de chez toi, mais tu peux aussi dire qu'elle habite à 5 minutes de chez toi. Tu peux donc utiliser une mesure de longueur ou le temps pour calculer une distance. Les astronomes font la même chose avec la lumière pour mesurer la distance des astres.

Ainsi, l'étoile la plus proche, Proxima du Centaure se situe à environ 41 mille milliards de km du Soleil. Mais personne ne peut s'imaginer une telle distance car c'est beaucoup trop grand. Sachant que la lumière parcours 300000 km par seconde, il lui faut 137 millions de secondes pour atteindre cette étoile. Converti en heures puis en années (il y a 86344 secondes dans un jour, 365.25 jours dans une année et donc 31.5 millions de secondes dans une année), les astronomes préfèrent dirent que Proxima du Centaure se situe à 4.3 années-lumière (137 millions divisé par 31.5 millions), c'est-à-dire que si on voyage aussi vite que la lumière il nous faudrait 4.3 années pour atteindre cette étoile !

Cet amas de jeunes étoile s'appelle NGC1818. Il est visible dans l'hémisphère sud dans le Grand Nuage de Magellan. il se situe à 164000 années-lumière. Cela veut dire que la lumière que nous captons aujourd'hui a été émise à l'époque des hommes des cavernes ! A droite la galaxie M83 dans l'Hydre. Elle est située encore plus loin à environ 40 millions d'années-lumière. Nous la voyons telle qu'elle était à l'époque où il n'y avait pas encore d'hommes sur Terre, comme si le temps avait été figé ! Il est probable que depuis tout ce temps certaines étoiles de cette galaxies ont disparu comme d'autres sont nées. Documents NASA/STSCI/HST et Adam Block.

Puisque la lumière met un certain temps pour atteindre la Terre, les événements que tu vois dans le ciel se sont en fait déroulés dans le passé. Si le Soleil explosait maintenant, tu ne verrais pas l'explosion tout de suite et tu devras attendre 8 minutes pour l'observer, c'est le temps nécessaire pour que la lumière du Soleil arrive sur la Terre en voyageant à 300000 km/s ! Inversement, lorsque tu vois le dernier rayon de Soleil disparaître le soir, en réalité le Soleil est déjà couché depuis 8 minutes !

C'est ainsi qu'en observant les galaxies qui sont des amas d'étoiles, on a découvert qu'elles se situaient à plusieurs millions d'années-lumière, c'est-à-dire que la lumière d'une galaxie que tu vois maintenant l'a quitté il y a plusieurs millions d'années, du temps des dinosaures ! Regarder le ciel dans un télescope, c'est donc aussi remonter le temps et regarder le passé !

Le plus étonnant, si un extraterrestre regardait la Terre au télescope ou parvenait à capter nos émissions de télévision depuis une planète située à 60 années-lumière, il ne nous verrait pas. Puisque la lumière voyage avec une vitesse limitée, il recevait seulement aujourd'hui les images des événements qui se sont déroulés il y a 60 ans, vers 1945. Il verrait la seconde guerre mondiale, la bataille d'Angleterre et le débarquement en Normandie ! S'il avait un très puissant télescope il verrait même tes grands-parents alors enfants jouer à la récré ! Incroyable mais vrai ! En revanche, notre extraterrestre devra attendre 60 ans pour voir ce que tu fais actuellement... La lumière est une vrai machine à remonter le temps, mais virtuellement, car malheureusement on ne peut pas l'utiliser pour faire réellement un voyage dans le passé ! Avec la lumière on peut regarder dans le passé mais pas toucher !

Prochain chapitre

Les effets de la lumière

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