Vous êtes-vous déjà demandé comment nous connaissons les propriétés des corps célestes lointains ?
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Une nouvelle façon d’observer l’Univers
Vous savez probablement que nous devons ces connaissances à l’analyse spectrale. Cependant, nous sous-estimons souvent la contribution de l’analyse spectrale à notre compréhension de l’Univers. L’avènement de l’analyse spectrale a bouleversé de nombreux paradigmes établis sur la structure et les propriétés de notre monde.
Grâce à l’analyse spectrale, nous avons une idée de l’échelle et de l’ampleur du cosmos. Elle a cessé de limiter l’Univers à la Voie lactée. L’analyse spectrale nous a révélé la grande diversité des étoiles, leur naissance, leur évolution et leur mort. Cette méthode est au cœur de la quasi-totalité des découvertes astronomiques modernes et même à venir.
Pour en savoir plus sur l’inaccessible
Il y a deux siècles, on pensait généralement que la composition chimique des planètes et des étoiles resterait à jamais un mystère pour nous. En effet, à l’époque, les objets cosmiques nous étaient inaccessibles. Par conséquent, nous n’obtiendrons jamais un échantillon d’une étoile ou d’une planète et nous ne connaîtrons jamais leur composition. La découverte de l’analyse spectrale a complètement réfuté cette idée fausse.
L’analyse spectrale nous permet de connaître à distance de nombreuses propriétés d’objets éloignés. Naturellement, sans cette méthode, l’astronomie pratique moderne n’a tout simplement pas de sens.
Lignes sur un arc-en-ciel
Les lignes sombres sur le spectre du Soleil ont été remarquées en 1802 par l’inventeur Wollaston. Cependant, le découvreur lui-même ne s’est pas particulièrement attardé sur ces lignes. Leur étude approfondie et leur classification ont été réalisées en 1814 par Fraunhofer. Au cours de ses expériences, il a remarqué que le Soleil, Sirius, Vénus et les sources de lumière artificielle avaient leurs propres lignes. Cela signifie que ces lignes dépendent uniquement de la source lumineuse. Elles ne sont pas affectées par l’atmosphère terrestre ou les propriétés de l’appareil optique.
La nature de ces raies a été découverte en 1859 par le physicien allemand Kirchhoff et le chimiste Robert Bunsen. Ils ont établi un lien entre les raies du spectre du soleil et les raies d’émission des vapeurs de diverses substances. Ils ont ainsi fait la découverte révolutionnaire que chaque élément chimique possède son propre ensemble de raies spectrales. Il est donc possible de déterminer la composition d’un objet à partir de ses lignes d’émission. C’est ainsi qu’est née l’analyse spectrale.
Au cours des décennies suivantes, de nombreux éléments chimiques ont été découverts grâce à l’analyse spectrale. L’hélium, par exemple, a été découvert pour la première fois dans le Soleil, d’où son nom. Au départ, on pensait qu’il s’agissait uniquement d’un gaz solaire, jusqu’à ce qu’il soit découvert sur Terre trois décennies plus tard.
Trois types de spectre
Exemple de spectre d’absorption linéaire
Qu’est-ce qui explique ce comportement du spectre ? La réponse réside dans la nature quantique du rayonnement. Comme nous le savons, lorsqu’un atome absorbe de l’énergie électromagnétique, son électron externe passe à un niveau d’énergie supérieur. De même, lorsqu’un rayonnement est émis, il passe à un niveau d’énergie inférieur. Chaque atome a une différence de niveau d’énergie différente. D’où la fréquence d’absorption et d’émission propre à chaque élément chimique.
C’est à ces fréquences qu’un gaz émet et rayonne. Parallèlement, les solides et les liquides, lorsqu’ils sont chauffés, émettent un spectre complet indépendant de leur composition chimique. Par conséquent, le spectre résultant est divisé en trois types : le spectre continu, le spectre de raies et le spectre d’absorption. En conséquence, le spectre continu est émis par les solides et les liquides, et le spectre linéaire par les gaz. Le spectre d’absorption est observé lorsque le rayonnement continu est absorbé par un gaz. En d’autres termes, les lignes multicolores sur le fond sombre du spectre linéaire correspondent aux lignes sombres sur le fond multicolore du spectre d’absorption.
C’est le spectre d’absorption qui est observé dans le Soleil, alors que les gaz chauffés émettent un rayonnement avec un spectre linéaire. Cela s’explique par le fait que la photosphère du Soleil, bien que gazeuse, n’est pas transparente au spectre optique. Un schéma similaire est observé dans d’autres étoiles. Ce qui est intéressant, c’est que lors d’une éclipse solaire totale, le spectre du Soleil devient linéaire. Car il provient alors des couches externes transparentes de son atmosphère.
Principes de la spectroscopie
Principe de l’analyse spectrale optique
L’analyse spectrale optique est relativement simple sur le plan technique. Elle repose sur la décomposition du rayonnement de l’objet étudié et sur l’analyse du spectre qui en résulte. En 1671, Isaac Newton a réalisé la première décomposition «officielle» de la lumière à l’aide d’un prisme de verre. Il a également introduit le mot «spectre» dans l’usage scientifique. C’est en décomposant la lumière de la même manière que Wollaston a remarqué les lignes noires dans le spectre. C’est le principe des spectrographes.
La lumière peut également être décomposée à l’aide de réseaux de diffraction. La lumière peut ensuite être analysée à l’aide de différentes méthodes. Au départ, on utilisait un tube d’observation, puis une caméra. Aujourd’hui, le spectre obtenu est analysé par des instruments électroniques de haute précision.
Jusqu’à présent, nous avons parlé de spectroscopie optique. Cependant, l’analyse spectrale moderne ne se limite pas à ce domaine. Dans de nombreux domaines de la science et de la technologie, on utilise l’analyse spectrale de pratiquement tous les types d’ondes électromagnétiques — de la radio aux rayons X -. Naturellement, ces études sont réalisées à l’aide d’une grande variété de méthodes. Sans les différentes méthodes d’analyse spectrale, nous ne connaîtrions pas la physique, la chimie, la médecine et, bien sûr, l’astronomie modernes.
L’analyse spectrale en astronomie
Spectres de différentes étoiles
Comme nous l’avons vu plus haut, c’est avec le Soleil que l’étude des raies spectrales a commencé. Il n’est donc pas surprenant que l’étude des spectres ait immédiatement trouvé son application en astronomie
Bien entendu, les astronomes ont tout d’abord commencé à utiliser cette méthode pour étudier la composition des étoiles et autres objets cosmiques. Ainsi, chaque étoile possédait sa propre classe spectrale, reflétant la température et la composition de son atmosphère. Les paramètres de l’atmosphère des planètes du système solaire sont également connus. Les astronomes se sont rapprochés de la nature des nébuleuses gazeuses, des céphéides, ainsi que des comètes, des anneaux de Saturne, des aurores boréales et de nombreux autres objets et phénomènes célestes.
Cependant, l’analyse spectrale peut être utilisée pour apprendre plus que la simple composition qualitative des objets.
Mesurer la vitesse
Effet Doppler en astronomieEffet Doppler en astronomie
L’effet Doppler a été théorisé par un physicien autrichien en 1840, qui lui a donné son nom. Cet effet peut être observé en écoutant le klaxon d’un train qui passe. La tonalité du klaxon d’un train en approche sera sensiblement différente de celle d’un train éloigné. C’est à peu près de cette manière que l’effet Doppler a été prouvé théoriquement. L’effet est que la longueur d’onde d’une source en mouvement est déformée pour l’observateur. Elle augmente à mesure que la source s’éloigne et diminue à mesure qu’elle se rapproche. Les ondes électromagnétiques ont une propriété similaire.
Matériel sur le sujet
Au fur et à mesure que la source s’éloigne, toutes les bandes sombres du spectre de son rayonnement se déplacent vers le rouge. En d’autres termes, toutes les longueurs d’onde augmentent. De même, lorsque la source se rapproche, elles se déplacent vers le côté violet. L’effet Doppler a donc apporté un grand plus à l’analyse spectrale. Il était désormais possible de reconnaître, à partir des raies du spectre, ce qui semblait auparavant impossible. Mesurer les vitesses des objets spatiaux, calculer les paramètres orbitaux des étoiles doubles, les vitesses de rotation des planètes et bien d’autres choses encore. L’effet de décalage vers le rouge a joué un rôle particulier en cosmologie.
La découverte du scientifique américain Edwin Hubble est comparable au développement du système mondial héliocentrique de Copernic. En étudiant la luminosité des céphéides dans diverses nébuleuses, il a prouvé que beaucoup d’entre elles se trouvent beaucoup plus loin que la Voie lactée. En comparant les distances obtenues avec les spectres de galaxies décalés vers le rouge, Hubble a découvert sa célèbre loi. Selon cette loi, la distance des galaxies est proportionnelle à la vitesse à laquelle elles s’éloignent de nous. Bien que sa loi diffère quelque peu de la compréhension moderne, la découverte de Hubble a élargi la portée de l’univers.
L’analyse spectrale et l’astronomie moderne
Aujourd’hui, presque aucune observation astronomique ne se fait sans analyse spectrale. Elle est utilisée pour découvrir de nouvelles exoplanètes et repousser les limites de l’univers. Les rovers martiens et les sondes interplanétaires, les télescopes spatiaux et les satellites de recherche sont équipés de spectromètres. En fait, sans l’analyse spectrale, l’astronomie moderne n’existerait pas. Nous continuerions à regarder la lumière vide et sans visage d’étoiles dont nous ne savons rien.
Date de publication: 12-26-2023
Mettre à jour la date: 12-26-2023