3ᵉ · Physique-Chimie · Ondes & signaux
Quand on fait passer une lumière dans un prisme (ou un réseau), on la décompose : on obtient son spectre. Le spectre est comme la « carte d'identité » d'une lumière : il révèle de quelles couleurs (de quelles longueurs d'onde λ, en nm) elle est faite.
Un corps chaud (filament d'ampoule, métal chauffé, cœur d'une étoile) émet un spectre continu : toutes les couleurs se succèdent sans interruption, du rouge au violet, comme un arc-en-ciel.
Un gaz chaud et peu dense donne un spectre de raies d'émission : sur un fond noir apparaissent seulement quelques raies colorées, aux longueurs d'onde propres au gaz. À l'inverse, si de la lumière blanche traverse un gaz plus froid, ce gaz absorbe certaines couleurs : on obtient un spectre de raies d'absorption, un spectre continu barré de raies noires.
Chaque élément chimique (hydrogène, hélium, sodium…) possède ses propres raies, toujours aux mêmes longueurs d'onde : c'est une véritable empreinte. En repérant les raies dans la lumière d'une étoile, on identifie les éléments qui la composent — sans jamais y aller.
La couleur d'une étoile renseigne sur sa température de surface : une étoile rouge est la plus froide, une étoile blanche puis bleue est de plus en plus chaude. (Attention : c'est l'inverse du robinet ! En astronomie, bleu = chaud, rouge = froid.)
La lumière voyage très vite mais pas instantanément : environ 300 000 km/s. Elle met donc du temps à nous parvenir. Quand on observe une étoile lointaine, on la voit telle qu'elle était quand la lumière est partie : regarder loin, c'est regarder dans le passé. La lumière du Soleil met déjà 8 minutes à nous atteindre.
Comme les distances entre les astres sont énormes, on utilise une unité adaptée : l'année-lumière (a.l.). C'est la distance que parcourt la lumière en un an. Une étoile située à 100 années-lumière est vue telle qu'elle était il y a 100 ans.
Avant la théorie, une question qui semble impossible : de quoi sont faites les étoiles ? Elles sont à des milliards de milliards de kilomètres, aucune sonde n'y arrivera jamais. Et pourtant, on connaît leur composition avec précision.
Le secret tient dans leur lumière. Quand on décompose la lumière d'une étoile, on y voit des raies sombres, toujours aux mêmes endroits pour un même élément chimique. Ces raies sont comme un code-barres : celui de l'hydrogène, de l'hélium, du sodium.
C'est ainsi qu'on a découvert l'hélium dans le Soleil avant même de le trouver sur Terre. Aujourd'hui, la même méthode sert à analyser l'atmosphère des exoplanètes, ces planètes qui tournent autour d'autres étoiles, et à chercher des traces de vie. Toute l'astronomie moderne repose sur cette idée : lire la lumière pour connaître ce qu'on ne pourra jamais toucher.
Pour analyser une lumière, on la fait passer dans un prisme, un bloc de verre triangulaire, ou dans un réseau. La lumière se décompose : chaque couleur est déviée un peu différemment et elles s'étalent. On obtient le spectre de cette lumière.
Le spectre, c'est en quelque sorte la carte d'identité de la lumière : il montre de quelles couleurs elle est faite. Chaque couleur correspond à une longueur d'onde, notée lambda, mesurée en nanomètres. En regardant un spectre, on lit donc directement quelles longueurs d'onde sont présentes, et lesquelles manquent.
C'est cette lecture qui va nous permettre de comprendre les étoiles.
Il existe plusieurs types de spectres. Un corps chaud et dense, comme le filament d'une ampoule ou un métal en fusion, émet un spectre continu : toutes les couleurs se succèdent sans trou, du rouge au violet, comme un arc-en-ciel complet. Mais un gaz, lui, se comporte autrement.
Un gaz chaud et peu dense n'émet que quelques couleurs bien précises : sur un fond noir, on voit apparaître seulement quelques raies colorées. C'est un spectre de raies d'émission. Et si de la lumière blanche traverse un gaz plus froid, ce gaz absorbe au contraire certaines couleurs : on obtient alors un spectre continu barré de raies noires, un spectre de raies d'absorption.
Retiens : continu pour un corps chaud, raies pour un gaz.
Voici l'idée la plus puissante du chapitre. Les raies d'un gaz ne sont pas au hasard : chaque élément chimique possède ses propres raies, toujours aux mêmes longueurs d'onde. L'hydrogène a toujours ses raies, l'hélium les siennes, le sodium les siennes.
C'est une véritable empreinte, comme une empreinte digitale, unique pour chaque élément. Alors, quand on observe la lumière d'une étoile et qu'on y repère des raies noires d'absorption, il suffit de comparer leurs positions avec les empreintes connues au laboratoire. Si on retrouve les raies de l'hydrogène, c'est qu'il y a de l'hydrogène dans l'étoile.
C'est exactement ainsi qu'on a découvert l'hélium dans le Soleil, en 1868, avant même de l'avoir isolé sur Terre. On analyse la composition d'un astre sans jamais y mettre les pieds.
La couleur d'une étoile n'est pas un simple détail : elle renseigne sur sa température de surface. Et attention, c'est l'inverse de ce qu'on croit d'habitude. Sur un robinet, le rouge, c'est chaud.
Mais pour les étoiles, c'est le contraire. Une étoile rouge est la plus froide, autour de trois mille degrés. Notre Soleil, jaune-blanc, est plus chaud, environ six mille degrés.
Et les étoiles les plus chaudes, à plus de dix mille degrés, apparaissent blanches puis carrément bleues. Donc, du plus froid au plus chaud : rouge, orange, jaune, blanc, bleu. Rien qu'en regardant la couleur d'une étoile dans le ciel, un astronome peut estimer sa température.
Dernière idée, un peu vertigineuse. La lumière va très vite, environ trois cent mille kilomètres par seconde, mais pas instantanément. Elle met donc un certain temps à nous parvenir.
La lumière du Soleil, par exemple, met déjà huit minutes à arriver jusqu'à nous : on voit toujours le Soleil tel qu'il était il y a huit minutes. Pour une étoile lointaine, ce temps se compte en années. Comme les distances sont gigantesques, on utilise une unité adaptée, l'année-lumière : c'est la distance parcourue par la lumière en un an.
Une étoile à cent années-lumière est vue telle qu'elle était il y a cent ans. Certaines étoiles que tu observes ce soir n'existent peut-être même plus. Regarder loin dans l'espace, c'est vraiment regarder dans le passé.
12 des 31 questions de ce chapitre. Les réponses, et les explications de chacune, sont dans l'application.