L'analyse spectrale des étoiles

A première vue, toutes les étoiles se ressemblent. Ce sont des points scintillants, dispersés dans le ciel. Mais quand on y regarde de plus près, on constate des différences. La première chose que l’on remarque, c’est que certaines étoiles brillent plus que d’autres. Un regard plus attentif nous permet de constater que les étoiles sont en couleur. Certaines sont bleues, d’autres rouge-orangées. A quoi sont dues ces différences ? Que peuvent-elles nous révéler sur la nature des étoiles ? Après avoir étudié la lumière, nous allons voir ce que la spectroscopie nous apprend sur les étoiles.


LA SPECTROSCOPIE RÉVÈLE LA COMPOSITION DES ÉTOILES


Dans les dernières années du XIXe siècle, l'astrophotographie est devenue un outil scientifique. Être capable de brancher un appareil photo sur un télescope et de prendre de longues expositions signifiait être capable de voir des objets plus faibles, révélant des détails que l’on ne pouvait pas voir, même avec l'œil collé au télescope. On pouvait alors enregistrer des spectres, c'est-à-dire l’ensemble de la lumière émise par un corps céleste en fonction de sa longueur d’onde. Cela révèle une grande quantité de données physiques sur l'objet en question. Mais à la fin des années 1800, la spectroscopie n’en était encore qu'à ses balbutiements.


L'interprétation des spectres d’étoiles était un problème difficile. Le spectre que nous mesurons à partir d'une étoile est une combinaison de deux types de spectres différents. Les étoiles sont des boules de gaz chaudes et denses qui produisent un spectre continu ; c'est-à-dire qu'elles émettent de la lumière dans toutes les longueurs d'onde. Cependant, les étoiles ont aussi des atmosphères, des couches de gaz plus minces au-dessus des couches internes plus denses. Ces gaz absorbent la lumière à des longueurs d'onde spécifiques en fonction des éléments qui les composent. Le résultat est que le spectre continu d'une étoile a des lacunes, représentées par des bandes noires qui témoignent de la signature de l’élément chimique qui absorbe la lumière. Pour le dire autrement, les bandes noires du spectre sont un peu comme un code-barre qui nous renseignent sur les éléments chimiques qui composent l’étoile.


LA CLASSIFICATION SPECTRALE DES ÉTOILES


Au début, les astronomes classaient les spectres d’étoiles en fonction de l’intensité des raies de l’hydrogène. Les spectres étaient classés par des lettres : A, B, C, etc. Mais en 1901, un nouveau système a été introduit par la spectroscopiste Annie Jump Cannon (1863-1941), qui a abandonné ou fusionné l’ancienne classification, puis a réorganisé les spectres en fonction des différentes raies d'absorption qui apparaissent ou non dans les spectres.

Annie Jump Cannon (1863-1941)


Quelques années plus tard, le physicien Max Planck (1858-1947) démontra que les étoiles émettent un maximum de lumière dans une couleur, donc à une longueur d’ondes précise, en fonction de leur température. Les étoiles les plus chaudes émettent leur maximum de lumière dans l'extrémité bleue du spectre, tandis que les moins chaudes culminent dans le rouge. A la même époque, le physicien Meghnad Saha (1893-1956) a résolu un autre problème difficile : il établit la relation entre la température d'un gaz et le nombre d’atome ionisés (un ion est un atome qui a gagné ou perdu des électrons). Deux décennies plus tard, l’astronome Cecilia Payne-Gaposchkin (1900-1979) a mis toutes ces pièces ensemble. Elle a montré que le spectre des étoiles dépendait de la température de surface de l’étoile et des éléments dans leurs atmosphères. Cela permet aux astronomes de comprendre la composition chimique des étoiles, mais aussi de nombreux autres paramètres physiques. C’est ainsi que l’on a compris que les étoiles étaient majoritairement composées d’hydrogène et d’hélium.


Cecilia Payne-Gaposchkin (1900-1979)


Le schéma de classification proposé par Annie Cannon et décodé par Cecilia Payne est toujours utilisé aujourd'hui. Il classe les étoiles en fonction de leur température, en attribuant à chacune une lettre. Comme il a été réarrangé à partir d'un ancien classement, les lettres ne sont plus dans l’ordre alphabétique. Les étoiles les plus chaudes sont donc les étoiles de type O, celles légèrement plus froides sont B, suivies de A, F, G, K et M. On peut retenir facilement ce classement avec le moyen mnémonique suivant « Oh Be A Fine Guy, Kiss Me » ou « Oh Be A Fine Girl, Kiss Me ».



De plus, chaque groupement de lettres est divisé en 10 sous-groupes, toujours en fonction de la température. Au cours des dernières décennies, des étoiles encore plus froides ont été découvertes. Elles portent les lettres L, T et Y.


Le Soleil a une température de surface d'environ 5 500° Celsius. Il est donc une étoile G2. une étoile légèrement plus chaude que le Soleil est une étoile G1, et une étoile légèrement plus froide est une G3. Sirius, l'étoile la plus brillante du ciel nocturne, est beaucoup plus chaude que le Soleil. Elle est classée A0. Bételgeuse, brillante étoile de la constellation d’Orion est classée M2. C’est donc une étoile rouge nettement moins chaude que le Soleil.


SOLEIL VERT


Les étoiles sont de presque toutes les couleurs de l'arc-en-ciel. Les étoiles chaudes sont bleues, les étoiles “froides” sont rouges. Entre les deux, il y a des étoiles oranges et même quelques une de couleur jaunes. Mais il n'y a pas d'étoiles vertes. C'est à cause de la façon dont nos yeux voient la couleur. Une étoile peut émettre beaucoup de lumière verte, mais si elle le fait, elle émettra également du rouge, du bleu et du orange. Nos yeux mélangent ces couleurs pour former d'autres couleurs. Une étoile peut émettre son maximum de lumière dans le vert, nos yeux finiront tout de même par la voir blanche ! Comment peut-on le savoir ? Tout simplement en regardant le spectre du Soleil. Celui-ci culmine dans le vert ! Et pourtant, nous voyons le Soleil de couleur blanche.


A RETENIR :

  • Les étoiles sont classées en fonction de leur spectre.

  • Il existe 10 classes spectrales : A,B,O,F,G,K,M,L,T,Y, chacune divisée en 10 sous-groupes.

  • Les spectres nous indiquent la composition chimique des étoiles.

BIBLIOGRAPHIE

  • Cours du Diplôme Universitaire d'astronomie (2004)

  • Astronomie et astrophysique, Séguin et Villeneuve, 2e édition, Ed : De Boeck Université (2002)

  • L'astronomie au féminin, Yaël Nazé, CNRS Editions (2014)



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