L'analyse de la lumière

En astronomie, presque toutes les informations que nous avons sur l'Univers proviennent de l'analyse de la lumière. Mais comment cette lumière est-elle produite ? Que peut-elle nous apprendre sur les objets astronomiques ? Et concrètement, qu'est-ce que la lumière ?

QU'EST CE QUE LA LUMIÈRE ?

La lumière est une onde, ou plus exactement, un rayonnement électromagnétique. Il a fallu des siècles de réflexion et d'expériences pour comprendre cela et pour comprendre également que, dans sa forme la plus élémentaire, la lumière est une forme d'énergie. Elle se déplace par vagues, comme les vagues sur l'océan. Sauf qu'avec la lumière, ce qui la met en mouvement, ce sont les champs électriques et magnétiques.

Quand vous flottez sur l'eau, vous avez un mouvement de haut et de bas. Vous vous déplacez vers le haut quand une vague vous passe dessus, puis vous descendez, puis remontez à nouveau lorsque la prochaine vague passe. Ce mouvement de haut et de bas régulier est un mouvement ondulatoire, autrement dit, c'est une onde. Et la distance entre deux points hauts de la courbe s'appelle la longueur d'onde.

Comme la lumière est une onde, elle peut être caractérisée par sa longueur d'onde. Cette longueur d'onde dépend de la quantité d'énergie transportée par la lumière. La lumière avec une longueur d'onde plus courte a plus d'énergie. Et la lumière avec une longueur d'onde plus longue en a moins énergie. Nos yeux ont un moyen très pratique de détecter ces différentes énergies : c'est la couleur !

Ce que vous considérez comme la couleur bleue est en fait une lumière frappant votre œil qui a une courte longueur d'onde. La lumière rouge a une longueur d'onde plus longue, environ deux fois la distance entre les deux "hauts" de la lumière bleue. Toutes les couleurs intermédiaires - orange, jaune, vert, bleu - ont des longueurs d'onde intermédiaires. Cette répartition des couleurs, c'est-à-dire les différentes longueurs d'onde, s'appelle un spectre.

Au fil des millions d'années, nos yeux ont évolué pour s'adapter à la longue d'onde pour laquelle le Soleil émet le plus de lumière. Nous appelons ça la lumière visible. Mais ce n’est là qu'une toute petite partie de toutes les longueurs d’onde que la lumière peut avoir.

LE SPECTRE ELECTROMAGNETIQUE

Si la lumière a une longueur d'onde légèrement plus courte que la lumière visible, nos yeux ne peuvent la voir. Mais ça ne veut pas dire qu'elle n'existe pas. Elle est toujours bien présente, c'est ce qu'on appelle la lumière ultraviolette. Elle est, entre autres, responsable de votre bronzage. Au-delà des ultraviolets, on trouve des longueurs d'onde de plus en plus courtes, donc transportant de plus en plus d'énergie. Ce sont les rayons X, puis les rayons gamma. À l'autre extrémité du spectre, la lumière possède des longueurs d'onde de plus en plus longues. Ainsi, au-delà de la couleur rouge, on trouve la lumière infrarouge. Puis les micro-ondes, et enfin les ondes radio. Vous avez là l'ensemble du spectre électromagnétique qui compose la lumière.

L'ensemble du spectre électromagnétique. Une étoile émet de la lumière dans l'ensemble du spectre.

Et rappelez-vous, plus la longueur d'onde est courte, plus l’énergie augmente. Ainsi, la lumière ultraviolette a plus d’énergie que la couleur bleue, les rayons X ont encore plus d’énergie que les ultraviolets, et les rayons gamma sont les plus énergétiques. La lumière infrarouge a une énergie inférieure à la lumière rouge, les micro-ondes sont encore plus faibles, et les ondes radio ont la plus faible énergie de tout le spectre.

La lumière visible perçue par nos yeux n'est qu'une toute petite partie du spectre. Ainsi, la majeure partie de l'Univers est invisible à nos yeux ! C’est pourquoi nous avons construit différents types de télescopes, capables de détecter chaque type de lumière en fonction de sa longueur d'onde.

RELATION ENTRE LUMIÈRE ET CHALEUR

L'une des propriétés les plus élémentaires de la matière est que lorsque vous la chauffez, elle gagne de l'énergie, puis elle essaie de s'en débarrasser. Puisque la lumière est de l'énergie, une façon de se débarrasser de l'énergie est d'émettre de la lumière.

Une plaque électrique émet de la lumière lorsqu'elle chauffe.

Une autre propriété importante de la matière est que le type de lumière qu'un objet émet dépend de sa température. Un objet très chaud émettra de la lumière avec une énergie plus élevée, c'est-à-dire une longueur d'onde plus courte. Les objets plus froids émettent de la lumière avec une longueur d'onde plus longue. Prenez l'exemple d'une barre de fer. Quand on commence à la chauffer, elle brille en rouge, puis en orange, puis jaune à mesure qu'il fait plus chaud. Au final, on dit bien chauffer du fer à blanc quant il est au plus chaud. La couleur, c'est-à-dire la longueur d'onde de la lumière émise, devient de plus en plus courte à mesure que la barre chauffe, c’est-à-dire qu’elle gagne en énergie.

Les astronomes utilisent un raccourci pour dire cela. Ils disent que la lumière avec une longueur d'onde plus courte "se décale vers le bleu", et la lumière avec une longueur d'onde plus longue “se décale vers le rouge”. Ne prenez pas cela au pied de la lettre ! Cela ne veut pas dire que les objets changent réellement de couleur. Cela signifie juste que les longueurs d'onde diminuent ou augmentent.

Ainsi, dans le jargon astronomique, la lumière ultraviolette est plus bleue que le bleu et les rayons X sont plus bleus que les ultraviolets. Les objets qui émettent le plus d'énergie ont une température plus élevée, et leur spectre est beaucoup plus intense dans les bleus, et les objets les plus froids émettent principalement leur lumière dans les rouges ou les infrarouges.

Cette règle de base fonctionne très bien pour la plupart des objets denses de l'Univers, et également pour les humains ! Comme votre corps est en permanence à 37°C, vous émettez une lumière infrarouge, invisible à nos yeux, mais qui peut être détectée avec les outils appropriés. Dans l’univers, il y a aussi des objets peu denses, comme les nuages ​​de gaz, les nébuleuses. La façon dont ils émettent de la lumière est différente. Mais nous y reviendrons un peu plus loin.

COMMENT LA LUMIÈRE EST-ELLE FABRIQUÉE ?

Pour comprendre comment la lumière est produite, il faut regarder ce qui se passe à l'échelle atomique. Faisons un petit rappel sur les atomes. Les atomes sont les éléments constitutifs de la matière. Les atomes sont constitués de trois choses : les protons, les neutrons et les électrons. Les protons ont une charge électrique positive, les électrons une charge négative et les neutrons sont neutres. Les protons et les neutrons sont beaucoup plus massifs que les électrons, et occupent les centres des atomes. Ils forment le noyau. Les électrons tournent autour du noyau, leur charge négative est attirée par la charge positive des protons. Le type d'atome dépend du nombre de protons qu'il contient dans son noyau. L'hydrogène a un proton, l'hélium en a deux, le lithium trois, et ainsi de suite pour tout le tableau périodique des éléments, jusqu'à l'uranium qui a 92 protons.

Il est courant de penser que l’électron est en orbite autour du noyau comme une planète en orbite le Soleil, mais ce n’est pas vraiment le cas. La situation réelle est beaucoup plus complexe et est décrite pas la physique quantique. Pour faire simple, disons que l'électron est seulement autorisé à occuper des volumes d'espace très spécifiques autour du noyau, et ceux-ci dépendent de l'énergie de l'électron.

Pour le comprendre, prenez l'exemple de l'escalier. Le niveau le plus bas de l'escalier, le palier, c'est le noyau de l'atome. Lorsque vous montez les marches, vous devez utiliser de l'énergie pour monter. Et pour ce faire, vous montez les marches une par une. Si vous n’avez pas l’énergie nécessaire pour passer à l’étape suivante, vous ne pouvez pas bouger. Attention, vous pouvez vous situer sur la première ou la deuxième marche, mais vous ne pouvez pas être sur la première marche et demie. Il n’y en a pas ! Les électrons se comportent de la même manière. Ils tournent autour du noyau avec très peu d'énergie. Si vous leur donnez une quantité d'énergie précise supplémentaire, ils passeront sur la marche suivante. Autrement dit, ils s'éloignent du noyau. Mais si vous leur donnez une quantité insuffisante d'énergie, ils resteront sur la même marche. Le contraire est également vrai. Les électrons peuvent être dans un état d'énergie plus élevé, donc sur une marche plus haute, puis en perdant de l'énergie, ils descendent d'une marche et se rapprochent du noyau. L'énergie qu'ils dégagent est exactement la même qui est nécessaire pour leur faire monter une marche. Mais comment obtiennent-ils cette énergie?

Schéma d'un atome. Avec le minimum d'énergie, l'électron reste sur l'orbite la plus proche du noyau atomique (fig 1). Lorsqu'un électron reçoit de l'énergie (sous forme de lumière), il change d'orbite en s'éloignant du noyau atomique (fig 2). Lorsqu'un électron perd de l'énergie en libérant un photon (lumière), il redescend sur l'orbite la plus proche du noyau (fig 3).

Grâce à la lumière ! Si la lumière qui frappe l'atome a la bonne quantité d'énergie, l'électron va l'absorber et sauter d'une marche. Il peut également descendre de lui-même d'une marche en émettant de la la lumière avec la même quantité d'énergie, c'est-à-dire à une longueur d'onde précise. Un électron peut aussi monter les marches deux par deux, ou trois par trois, voire davantage, mais pour cela, il a besoin de beaucoup plus d'énergie, mais toujours d'une quantité précise d'énergie.

Comme nous l'avons vu plus tôt, l’énergie et la longueur d’onde, c'est la même chose, et c’est équivalent à la couleur. Ainsi, lorsqu'un électron monte ou descend l'escalier, il absorbe ou émet une couleur de lumière très spécifique. De plus, les étapes sont différentes pour chaque atome. Pour rester fidèle à notre analogie, c'est comme si chaque atome était un escaliers avec des hauteurs de marches différentes. Ainsi, lorsqu'un électron saute d'une marche dans un atome d'hydrogène, il émet une certaine quantité d'énergie, c'est à dire une couleur de lumière bien particulière, qui est différente de celle d'un électron sautant d'une marche dans un atome d'hélium ou de calcium.

Comme différents atomes émettent des lumières de couleurs différentes, si nous arrivons à mesurer cette lumière, nous pouvons en principe déterminer les éléments chimiques qui composent un astre, même s'il est très éloigné de nous. Pour cela, les scientifiques utilisent un spectromètre. C'est un appareil qui peut mesurer avec une très grande précision la longueur d'onde de la lumière, et peut par exemple, distinguer la lumière émise par un atome d'hydrogène de la lumière émise par un atome d'hélium. Lorsque vous accrochez un spectromètres derrière un télescope, vous pouvez connaître la composition chimique précise des objets astronomiques.

Dans le cas des nébuleuses, ces immenses nuages ​​de gaz diffus, les atomes se déplacent librement et se heurtent très rarement. Les atomes émettent des couleurs de lumière individuellement, ce qui nous permet de les identifier. Contrairement aux étoiles qui sont denses, la couleur des nébuleuses ténues dépend davantage des éléments chimiques qui la composent que de leur température. Et c'est ainsi que nous pouvons savoir de quoi est constitué l'Univers. Étoiles et nébuleuses sont principalement constituées d'hydrogène, avec un peu d'hélium et quelques éléments plus lourds. Jupiter possède du méthane dans son atmosphère, et l'atmosphère de Vénus est composée à 95% de dioxyde de carbone. Tous les astres de l'Univers sont composés de différents ingrédients, comme des gâteaux dans une boulangerie. Avec la spectroscopie, nous pouvons connaître leur composition sans les goûter ! Mais il y a mieux encore !

EFFET DOPPLER

Vous connaissez probablement l’effet Doppler. Vous savez, c'est ce qui se passe avec le son quand une ambulance ou une moto passe devant vous. Le fameux waooooon ! Les tons plus aigus ont des longueurs d'onde plus courtes et les sons plus graves ont des longueurs d'onde plus longues. Lorsque la moto se rapproche de vous, les ondes sonores sont compressées, le son est donc plus aigu. Une fois qu'elle est passée, les ondes s'étirent et le son devient plus grave. Il se produit la même chose avec la lumière. Si un objet astronomique se dirige vers vous, sa longueur d'onde se compresse, et sa lumière se décale vers le bleu. Si l'objet s'éloigne, sa longueur d'onde s'allonge et sa lumière est décalée vers le rouge. Tout cela peut se voir dans un spectre. Et en mesurant ces décalages, on peut savoir si un objet se rapproche ou s'éloigne de nous, et même préciser à quelle vitesse.

De la même façon, les spectres des galaxies lointaines sont tous décalés vers le rouge, ce qui permet d'affirmer qu’elles s'éloignent de nous et que l'Univers est en expansion. Mais ce n'est pas tout. Avec d'autres techniques spectroscopiques, il est possible déterminer si un objet tourne sur lui-même et à quelle vitesse, mais également de connaître sa masse et sa densité.

Une grande partie des propriétés fondamentales des objets astronomiques peuvent être trouvés simplement en analysant le spectre de leur lumière. Presque tout ce que nous savons de l'Univers provient de l'analyse de la lumière des objets qu'il contient. Les photos des astres nous montrent leur structure, leur beauté et nous racontent une partie de leur histoire. Et avec les spectres, nous avons accès à leurs caractéristiques physiques.

POUR RÉSUMÉ :