La spectroscopie, qu’est-ce que c’est?

La spectroscopie, qu’est-ce que c’est?

De nos jours, une faible partie des études astronomiques utilise l’imagerie. En effet, assez peu d’informations peuvent être déduites des images, et d’autant moins pour les objets très lointains.
La grande majorité des observations utilise donc l’analyse de la lumière par spectroscopie.
La lumière est un rayonnement (onde électromagnétique) caractérisé par sa fréquence ou sa longueur d’onde, par son énergie et par son état de polarisation (le sens de vibration).
Selon les caractéristiques des objets célestes observés, le rayonnement émis peut aller des rayons Gamma (très forte énergie) aux ondes radio (basse énergie) en passant par la mince zone de fréquences constituée par la lumière visible, du violet au rouge.

La lumière visible par notre œil constitue donc une infime partie des ondes lumineuses : dans cette zone, à chaque longueur d’onde correspond une couleur.

Pour réaliser le spectre lumineux d’un objet, on va utiliser un spectroscope. En bref, le spectroscope va réaliser un « classement » des longueurs d’ondes d’une lumière. Ainsi, un pinceau de lumière blanche (qui est constitué d’un mélange de toutes les couleurs de l’arc-en-ciel) va se trouver « étalé », chaque couleur à sa place dans l’ordre de sa longueur d’onde.
Un corps chaud, tel qu’une étoile ou une planète (ou une lampe à incandescence, ou même notre propre corps !), va émettre un rayonnement électromagnétique dont la répartition intensité / longueur d’onde dépendra de sa température.


Ainsi, une étoile chaude (comme Véga, à 10 000 °K1) aura une couleur bleutée tandis qu’une étoile plus froide (comme Antarès, à 3 500 °K) aura une couleur rougeâtre.
On voit déjà que la lumière des étoiles simplement observée à l’œil nu peut commencer à nous renseigner sur leur composition chimique et sur l’état physique de la matière … vous ne regarderez plus jamais les étoiles et leurs couleurs comme avant …
Mais l’analyse ne s’arrête pas là !
En effet, le spectre de notre plus proche étoile, le Soleil, n’est pas un simple arc-en-ciel : il est strié d’une multitude de raies sombres ! Les principales, référencées par Fraunhofer en 1814, sont reportées sur l’illustration ci-dessous.


Leur présence s’explique par l’absorption de certaines longueurs d’ondes du rayonnement solaire par des éléments chimiques présents dans les couches superficielles du Soleil.
Nommées arbitrairement A, B, C, … par Fraunhofer, chaque raie correspond en fait à un élément chimique présent à la surface du Soleil, dans un état ionisé (c’est à dire ayant perdu un ou plusieurs électrons).
Les raies de Fraunhofer C, F, G’ et h correspondent aux raies Hα, Hβ, Hγ, Hδ de l’Hydrogène (le principal composant du Soleil).
Les raies D1 et D2 correspondent au doublet du Sodium (aussi observable dans les lampes au sodium éclairant nos rues).
Les raies de Fraunhofer sont les plus visibles sur le spectre solaire, mais il existe en réalité plusieurs milliers de raies moins intenses tout le long du spectre.
En étudiant le spectre et les raies spectrales du Soleil ou des étoiles (en mesurant l’emplacement précis, la largeur, la déformation des raies spectrales) les astronomes peuvent déduire de nombreuses caractéristiques physiques de l’étoile, comme sa vitesse par rapport à nous, sa vitesse de rotation sur elle-même, sa température, son champ magnétique …
L’instrument NARVAL installé au Télescope Bernard Lyot est justement un spectrographe couplé à un polarimètre qui permet de reconstituer le champ magnétique d’étoiles lointaines, et cela uniquement par l’observation de son spectre (il est impossible d’obtenir une image de la surface d’une étoile étant donné sa distance immense).

Reconstitution du champ magnétique d’une étoile par le spectropolarimètre NARVAL

Réaliser un spectre solaire
La manière la plus simple d’observer un spectre solaire en classe est d’utiliser un récipient rempli d’eau. La lumière provenant du Soleil sera réfractée, mais l’angle de réfraction variera en fonction de la longueur d’onde de la lumière (c’est à dire de la couleur), donc on observera un « arc-en-ciel ».

Réaliser un spectroscope

Il est également possible pour vous de réaliser un véritable spectroscope : une feuille de carton et un CD-ROM seront les principaux éléments de ce bricolage très simple que vous retrouverez sur cette page.