Les multiples facettes de l Univers Observation en fonction de la longueur d onde

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1 S. Bourdreux Initiation à l astronomie Les multiples facettes de l Univers Observation en fonction de la longueur d onde En 1666, Isaac Newton consigne une expérience capitale dans laquelle il est parvenu à décomposer la lumière du Soleil à l aide d un prisme de verre ; il baptise alors «spectre» le résultat obtenu. Ce phénomène de dispersion est responsable des arcs-en-ciel ou encore des irisations que l on peut observer dans les bulles de savon. Le savant britannique n était pas le premier à réaliser l expérience (Grimaldi, 1665, et quelques références dans l Antiquité), mais le premier à en proposer une interprétation sur la nature de la lumière et à formuler une théorie cohérente des couleurs. Cette illustration est une copie colorisée de la photogravure (cf Aquarian Gallery) publiée par Selmar Hess en 1894 reproduisant une peinture réalisée par Loudan. Classiquement, le spectre de la lumière blanche comporte sept couleurs (celles dite de l arc-en-ciel), mais il se trouve qu en réalité, elles sont bien plus nombreuses qu il n y paraît. Les différentes nuances artistiques (caca-d oie, poussin, canari, moutarde, etc pour le jaune, par exemple) ne suffisent pas à décrire la palette observée. En fait, tout ceci n est que la partie émergée de l iceberg que représente la nature de la lumière, LA question à laquelle la Physique a longtemps cherché à répondre Au XIXème siècle, en essayant d expliquer concomitamment les phénomènes électriques et magnétiques à l aide du concept de champ, le physicien écossais James Clerk Maxwell (ci-contre) développe une théorie tout à fait révolutionnaire : l électromagnétisme. En 1863, il découvre qu'en manipulant ses équations sur l'électricité et le magnétisme, il est capable d'extraire une valeur qui correspond à la vitesse de propagation de la lumière. Surpris par un tel résultat, il commence alors à soupçonner que lumière, électricité et magnétisme ne font qu'un. Poursuivant sur sa lancée, il développe davantage ses équations sur l'électricité et le magnétisme et aboutit à la conclusion que la lumière doit être une onde, comme l'avait démontré Thomas Young plus de cinquante ans auparavant, mais une onde électromagnétique, c'est-à-dire possédant une composante électrique et magnétique, ce qui est en soit une découverte capitale (mais qui, malheureusement, n est pas facile à visualiser «concrètement»). L expérience des trous d Young (1801) ne peut être interprétée qu à l aide d un modèle ondulatoire de la lumière ; là où les rayons de l optique géométrique prévoient une image simple des deux trous, le formalisme des ondes lumineuses explique l alternance des franges concentriques claires et sombres que l on observe.

2 S. Bourdreux Initiation à l astronomie 2 Onde électromagnétique : au passage d une onde électromagnétique, un champ électrique et un champ magnétique oscillent de concert en chaque point de l espace. Tous deux sont perpendiculaires à la direction de propagation de l onde et entre eux. Dans ce modèle ondulatoire de la lumière, les nuances de couleur sont remplacées par des nombres : à chaque nuance est associée une longueur d onde. Par exemple, dans l air, du violet à 400 nm ; du jaune à 550 nm ; ou encore du rouge à 750 nm. De plus, il n'y a aucune raison, selon lui, pour qu'il n'existe pas d'ondes électromagnétiques invisibles audelà du spectre de la lumière visible et de l'ultraviolet. Voici la partie invisible de l iceberg : des ondes électromagnétiques, il en existe a priori autant que l on peut imaginer de valeurs de longueurs d onde. Par malheur, Maxwell ne vivra pas assez longtemps pour vérifier si sa prévision s'avère exacte car il meurt en 1879, peu de temps après avoir élaboré sa théorie. En 1888, ce sera pourtant la consécration pour Maxwell : le physicien allemand Heinrich Rudolf Hertz parvient en effet à démontrer que l'électricité peut être transmise par ondes électromagnétiques, que celles-ci voyagent à la vitesse de la lumière et que leur longueur d'onde est un million de fois plus grande que celles de la lumière visible et de l'ultraviolet. Hertz donne à ces nouvelles ondes le nom «d'ondes radio». Elles joueront plus tard, on s'en doute bien, un rôle de premier plan dans le développement du télégraphe et de la radio. Expérience de Hertz : Hertz réalise un oscillateur à l aide d une bobine et d un condensateur composé de deux sphères. Les oscillations du courant électrique dans ce dispositif sont à l origine d une onde qu il détecte avec un petit résonateur composé d un anneau métallique presque refermé. Le courant créé par l onde dans cette antenne provoque une étincelle. Aujourd'hui, le spectre électromagnétique est connu pour s'étendre bien au-delà des couleurs de l'arc-enciel. Voici à quoi il ressemble :

3 S. Bourdreux Initiation à l astronomie 3 Le spectre électromagnétique est continu mais les scientifiques l'ont divisé de façon artificielle pour des raisons de commodité. Les divisions ont surtout été établies à l'aide des techniques utilisées pour détecter les différentes longueurs d'onde. Par exemple, les limites du domaine de la lumière visible sont définies par ce que nos yeux peuvent détecter. Classés des plus grandes aux plus petites longueurs d onde, on distingue le domaine radio, l infrarouge, le domaine visible (auquel nos yeux sont sensibles), l ultraviolet, le domaine X, et le domaine gamma. La lumière visible représente une infime partie du spectre électromagnétique. Les rayons γ (gamma) sont les plus violents. Ils traversent facilement de grandes épaisseurs de matière et sont donc dangereux pour les cellules humaines, dans lesquelles ils produisent des mutations. De la matière très chaude ou radioactive produit des rayons gamma. Leurs longueurs d onde s'étendent d un cent milliardième (10-14 m) à un milliardième (10-12 m) de millimètre. Les rayons X sont eux aussi violents. Utilisés en médecine pour voir à travers le corps humain, ils sont un peu moins nocifs que les rayons gamma, mais restent dangereux à faible dose. Les rayons X ont des longueurs d onde comprises entre un milliardième (10-12 m) et un cent millième (10-8 m) de millimètre. Les ultraviolets restent assez puissants. Ils sont nocifs pour la peau et on doit donc s en protéger à l aide de crèmes solaires. La couche d ozone est déjà un premier rempart efficace contre ce type de lumière. Les néons des boîtes de nuit ou des détecteurs de faux billets émettent des ultraviolets assez doux. Leurs longueurs d onde s échelonnent d un cent millième (10-8 m) à quatre dixièmes de millième (4x10-7 m) de millimètre. Le domaine visible correspond à la partie du spectre visible par notre œil. C est justement dans ce domaine que le Soleil est le plus lumineux. Il s étend de quatre dixièmes de millième (4x10-7 m) - lumière bleue - à huit dixièmes de millième (8x10-7 m) de millimètre - lumière rouge. Un arc-en-ciel est le résultat de la décompostion de la lumière blanche, à la manière d un prisme, et met en évidence les différentes longueurs d onde qui la composent. La sensibilité de notre œil est centrée autour du maximum d intensité solaire. En effet, le Soleil rayonne dans toutes les longueurs d onde du spectre, mais son maximum est dans le jaune-vert. Plus qu une coïncidence, il s agit plutôt d une adaptation de l œil humain à son environnement. L infrarouge est émis par des corps modérément chauds. Un radiateur ou notre corps en produisent. Il est intéressant de remarquer qu en chauffant une barre métallique, elle émet d abord en infrarouge, puis en s échauffant, elle devient rouge, puis vire au blanc. A ce moment, elle est tellement chaude qu elle émet une lumière blanche (constituée de toutes les longueurs d onde du spectre visible) à la manière du Soleil, dont la température est elle aussi très chaude (environ C). La gamme des infrarouges couvre les longueurs d onde allant de huit dixièmes de millième de millimètre (8x10-7 m) à un millimètre (10-3 m). Le domaine radio commence à une longueur d onde de 1 millimètre. Il est divisé en souscatégories : millimétrique, centimétrique, etc. jusqu au kilométrique. La bande FM de nos postes de radio correspond à une longueur d onde de l ordre du mètre. Les téléphones cellulaires communiquent avec des photons d une longueur d onde de 10 cm environ. Il se trouve que les événements les plus violents (explosions de supernovae) ou les plus fondamentaux (naissance d étoiles) de notre Univers émettent justement dans des longueurs d onde que nos sens ne peuvent percevoir.

4 S. Bourdreux Initiation à l astronomie 4 Le centre de la Voie Lactée, notre Galaxie, observé avec tous les «yeux» dont nous disposons. Voici quelques-uns des instruments qui nous permettent de découvrir l Univers à toutes les longueurs d onde. Le radiotélescope d Arecibo (Etats-Unis, sur l île de Porto Rico) Il permet de capter le rayonnement en provenance des sources radio de l Univers. Ces dernières traversent sans difficulté l atmosphère, mais de plus en plus de signaux parasites d origine humaine (téléphones portables, notamment) viennent dégrader la qualité des observations. L antenne d Arecibo, immortalisée par James Bond dans Goldeneye L Europe n est pas en reste avec le radiotélescope de Nançay (dans le Cher, à une centaine de kilomètres à l Est de Tours, en Sologne), le plus grand après Arecibo. Miroir plan et miroir sphérique du radiotélescope de Nançay, le plus grand d Europe, à deux pas de la Touraine

5 S. Bourdreux Initiation à l astronomie 5 Le télescope infrarouge Spitzer (Etats-Unis) Il observe l Univers dans l infrarouge lointain, rayonnement pour lequel l atmosphère terrestre est totalement opaque. Cela le rend à même d observer des régions telles que les pouponnières d étoiles, où le gaz et les poussières s accumulent avant de donner naissance à de nouveaux soleils. Les télescopes spatiaux Darwin (Europe) Projet de télescopes spatiaux volant en formation et capables d analyser la lumière en provenance de planètes tournant autour d autres soleils. Darwin observera dans l infrarouge, longueur d onde qui permet d observer les objets froids tels que les poussières ou les planètes renvoyant la lumière de leur soleil. Le VLT (Europe, situé au Chili) Le Very Large Telescope est un ensemble de quatre télescopes terrestres géants de 8,2 mètres de diamètre. Depuis le VLT, on peut observer dans le visible, mais également dans l infrarouge proche, qui parvient à traverser l atmosphère. Le télescope spatial Hubble (Etats-Unis, Europe) Si le télescope Hubble est capable d observer dans l infrarouge et l ultraviolet, c est surtout dans le domaine visible qu il est performant. Il doit être remplacé en 2011 le télescope spatial James Webb, optimisé pour l infrarouge. Cette caractéristique lui permettra d observer la naissance des étoiles et des planètes extrasolaires, des objets très peu lumineux. Le satellite Corot (France, Europe) Ce satellite cherche des planètes rocheuses autour d autres soleils depuis décembre 2006, en observant la baisse de luminosité des étoiles occasionnée par le passage d une éventuelle planète devant l étoile observée. Il a la capacité de détecter des planètes cinq fois plus grosses que la Terre.

6 S. Bourdreux Initiation à l astronomie 6 Le satellite SOHO (Etats-Unis, Europe) SOHO est un observatoire spatial du Soleil, capable d observer notre étoile dans le visible et dans l ultraviolet. Selon la longueur d onde utilisée, SOHO a accès à différentes profondeurs de l atmosphère solaire. Le satellite FUSE (Etats-Unis) Ce télescope spatial est dédié à l observation du rayonnement ultraviolet. Il observe les plasmas chauds à l intérieur des lointaines galaxies. Le satellite XMM-Newton (Europe) C est un satellite dédié à l observation du rayonnement X. Il permet de capter ce type de rayonnement en provenance de sources dont la température dépasse le million de degrés, comme dans les supernovae (explosions cataclysmiques qui marquent la fin de la vie de certaines étoiles géantes). L atmosphère terrestre bloque complètement le passage des rayons X. Le satellite Integral (Europe) Dédié à l étude du rayonnement gamma, ce qui le rend apte à observer des zones où se produisent des phénomènes particulièrement violents, comme l environnement des trous noirs ou les noyaux actifs de galaxies. Le satellite Planck (Europe, Etats-Unis) Ce satellite, dont le lancement est prévu en 2009, aura pour mission d observer le domaine micro-ondes du spectre (et notamment le fond diffus cosmologique après COBE en 1989 et WMAP en 2001)