Sciences · Astronomie et espace
La spectroscopie en astronomie
La spectroscopie consiste à décomposer la lumière d’un astre en ses différentes couleurs. Les raies qui apparaissent dans ce spectre révèlent sa composition chimique, sa température, sa vitesse et même sa distance.
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En 1835, le philosophe Auguste Comte citait la composition chimique des étoiles comme un exemple de connaissance à jamais inaccessible. Moins de trente ans plus tard, la spectroscopie la révélait. Presque tout ce que l’on sait des étoiles et des galaxies vient de l’analyse de leur lumière : c’est l’outil le plus puissant de l’astrophysique.
Le principe
Un prisme ou un réseau de diffraction disperse la lumière en un spectre, comme un arc-en-ciel. Sur ce spectre apparaissent des raies fines, sombres ou brillantes, à des longueurs d’onde très précises. Chaque élément chimique possède sa propre série de raies, une véritable empreinte digitale, due aux niveaux d’énergie des électrons de ses atomes : un électron qui change de niveau absorbe ou émet un photon d’énergie bien déterminée.
Les trois types de spectres
En 1859-1860, les Allemands Gustav Kirchhoff et Robert Bunsen établissent les lois qui fondent la discipline :
| Type de spectre | Source | Aspect |
|---|---|---|
| Spectre continu | Corps chaud et dense (solide, liquide, gaz dense) | Toutes les couleurs, sans raies |
| Spectre d’émission | Gaz chaud et peu dense | Raies brillantes sur fond sombre |
| Spectre d’absorption | Lumière continue traversant un gaz plus froid | Raies sombres sur fond coloré |
Le spectre d’une étoile est un spectre d’absorption : sa surface chaude émet un spectre continu, et les gaz de son atmosphère absorbent certaines longueurs d’onde. Le spectre d’une nébuleuse en émission montre au contraire des raies brillantes.
Une histoire de découvertes
| Date | Découverte |
|---|---|
| 1666 | Isaac Newton décompose la lumière blanche avec un prisme |
| 1802 | William Wollaston remarque des raies sombres dans le spectre solaire |
| 1814 | Joseph von Fraunhofer en catalogue plusieurs centaines, encore appelées raies de Fraunhofer |
| 1859-1860 | Kirchhoff et Bunsen identifient le sodium et d’autres éléments dans le Soleil |
| 1868 | Pierre Janssen et Norman Lockyer observent une raie inconnue dans le Soleil : l'hélium, trouvé sur Terre seulement en 1895 |
| 1901-1925 | Annie Jump Cannon classe des centaines de milliers d’étoiles à Harvard |
| 1925 | Cecilia Payne montre que les étoiles sont faites surtout d’hydrogène et d’hélium |
| 1929 | Edwin Hubble relie le décalage vers le rouge des galaxies à leur distance |
L’hélium, deuxième élément de l’Univers, a donc été découvert dans le Soleil avant de l’être sur Terre : son nom vient du grec hêlios, « soleil ».
Ce que révèle un spectre
- La composition chimique : les raies indiquent quels éléments sont présents, et leur intensité, en quelles proportions.
- La température : la couleur dominante du spectre continu (loi de Wien) et la présence de certaines raies indiquent la température de surface.
- La vitesse : par l'effet Doppler, les raies d’un astre qui s’éloigne sont décalées vers le rouge, celles d’un astre qui s’approche vers le bleu. On mesure ainsi des vitesses radiales à quelques dizaines de centimètres par seconde près, assez pour détecter des exoplanètes.
- La rotation et le champ magnétique : l’élargissement ou le dédoublement des raies (effet Zeeman) les trahissent.
- La distance des galaxies : le décalage vers le rouge (redshift) dû à l'expansion de l’Univers indique leur éloignement.
La classification spectrale des étoiles
Les étoiles sont classées selon leur spectre, de la plus chaude à la plus froide : O, B, A, F, G, K, M. Les anglophones retiennent la suite avec la phrase « Oh Be A Fine Girl/Guy, Kiss Me ».
| Classe | Température de surface | Couleur | Exemple |
|---|---|---|---|
| O | plus de 30 000 K | Bleue | Zeta Puppis |
| B | 10 000 à 30 000 K | Bleu-blanc | Rigel |
| A | 7 500 à 10 000 K | Blanche | Sirius, Véga |
| F | 6 000 à 7 500 K | Blanc-jaune | Procyon |
| G | 5 200 à 6 000 K | Jaune | Soleil |
| K | 3 700 à 5 200 K | Orange | Arcturus, Aldébaran |
| M | 2 400 à 3 700 K | Rouge | Bételgeuse, Proxima du Centaure |
Au-delà de la lumière visible
La spectroscopie s’applique à tout le spectre électromagnétique. Le télescope James-Webb analyse en infrarouge la lumière filtrée par l’atmosphère d’exoplanètes et y a identifié de l’eau, du dioxyde de carbone ou du méthane. En radio, la raie de l’hydrogène à 21 cm cartographie le gaz de la Voie lactée.
Questions fréquentes
Comment sait-on de quoi est fait le Soleil sans y aller ?
Grâce aux raies sombres de son spectre : chacune correspond à un élément précis. On y a identifié plusieurs dizaines d’éléments, dont l’hydrogène (environ 73 % de la masse) et l’hélium (environ 25 %).
Peut-on faire de la spectroscopie en amateur ?
Oui. Un simple réseau de diffraction placé devant un appareil photo ou un télescope suffit pour voir les raies principales du Soleil (jamais directement à l’œil) ou les types spectraux des étoiles brillantes.
Qu’est-ce que le décalage vers le rouge ?
C’est l’allongement des longueurs d’onde de la lumière d’un astre qui s’éloigne, ou dont la lumière a été étirée par l’expansion de l’Univers. Ses raies se déplacent vers le rouge du spectre.